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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion und Erkennung von Fehlstellen in Objekten, insbesondere in nicht-metallischen (dielektrischen) Materialbahnen, wie etwa Kunststofffolien. Als Fehlstellen werden Verunreinigungen in und auf der Warenbahn oder dem Formkörper sowie Löcher und Dünnstellen in der Warenbahn oder dem Formkörper definiert.
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Bei der elektrostatischen Detektion läuft z. B. eine Folie über eine geerdete Walze oder eine darunter liegende geerdete Zweitelektrode in der Folienabzugsrichtung (die Richtung wird üblicherweise als ”Machinery Direction” oder kurz als ”MD” bezeichnet). In Querrichtung (die üblicherweise als ”Transverse Direction” oder kurz als ”TD” bezeichnet wird) der Folie verlaufend, also in Richtung der Arbeitsbreite (die im Rahmen der Anmeldung auch als ”AB” abgekürzt bezeichnet wird) befindet sich mindestens eine Elektrode, die auf Hochspannung liegt. Ist nur die isolierende, defektfreie Warenbahn vorhanden, dann reicht die angelegte Hochspannung gerade noch nicht aus, um zu einem Durchschlag der Folie zu führen. Tritt z. B. ein Loch auf, dann wird der Durchschlag detektiert. Durch ein nachfolgendes Markierungssystem wird die Fehlstelle gekennzeichnet.
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Beim sog. elektrostatischen Pinning wird mittels einer sogenannten Pinning-Methode eine Schmelzefahne, die aus einer Düse austritt, durch eine Flächenladungskraft auf einer Kühlwalze angelegt, um einen guten Wärmekontakt zu gewährleisten und die Schmelze zu fixieren. Hier wird die Pinning-Elektrode in einem geringen Abstand zur Schmelzefahne auf Hochspannung gelegt, während die Kühlwalze auf Erde liegt. Defekte in der Schmelze oder mechanischen und elektrischen Variablen können zu einem Durchbruch führen.
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Das Prinzip ist also für die Pinhole-Detektion und Überschlagserkennung gleich, lediglich der Ort der Detektion ist unterschiedlich.
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Bei der Pinhole-Detektion ist es wünschenswert, nicht nur das Mikroloch, sondern auch die Form (Größe der Fehlstelle) des Mikroloches zu erkennen und die Position der Fehlstelle in TD- und MD-Richtung zu bestimmen.
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Stand der Technik
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Gemäß der Vorveröffentlichung
WO2003/27657 A2 (die der
US 6,707,055 B2 entspricht) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Defektstellen in Form von Nadellöchern (Mikrolöchern) in einem dielektrischen Material zu entnehmen, welches auf eine geerdete Elektrode aufgebracht wird. Zwischen dieser Elektrode und einer zweiten Elektrode, die der ersten Elektrode und dem dielektrischen Material kontaktfrei gegenübersteht, wird eine Spannung angelegt. Die Spannung wird so eingestellt, dass die Durchbruchfeldstärke der Luftstrecke zwischen den Elektroden gerade erreicht oder überschritten wird. Wird nun das dielektrische Material zwischen die Elektroden gebracht, wird die Durchbruchfeldstärke nicht mehr erreicht. Man kann allerdings einen Stromfluss über einen Vorwiderstand zwischen den Elektroden messen, wenn ein durchgehendes Loch im Material auftritt. Der Detektor besteht aus einer Entladeröhre in Verbindung mit einer Photodiode, die sowohl den Zeitpunkt, als auch die Signaldauer und Amplitude des Durchbruches messbar macht.
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Die Auflösung in Querrichtung der fortbewegten Bahn hängt dabei von der Länge der einzelnen in Querrichtung zur Abzugsrichtung der Materialbahn nebeneinander sitzenden Elektrobürsten ab. Erfolgt aufgrund eines Mikroloches in der Materialbahn ein Stromfluss, lässt sich die Position in Laufrichtung der Materialbahn (MD) sowie in Querrichtung (TD) zumindest bezüglich der betroffenen Elektrobürste feststellen. Allerdings gibt es somit nur ein Trigger-Signal, nämlich den Stromfluss, der im betreffenden Teilstück (betroffene Elektrobürste) stattfindet. Abgesehen von der Trägheit des Systems ist es damit in der Praxis nicht möglich, zwischen den Defektarten und Defektgrößen zu unterscheiden.
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Darüber hinaus ist eine Einrichtung zur Bereitstellung einer Zeitinformation vorgesehen, die mit der Aufzeichnung der Nadelloch-Detektionsdaten synchronisiert wird.
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Die Bereitstellung eines Zeitsignals erlaubt es, die relative Lage des detektierten Nadelloches in Maschinenrichtung MD (Abzugsrichtung) zu ermitteln. Die in Querrichtung dazu verlaufende Bürstenelektrode stellt die Daten bezüglich der Lage des detektierten Nadelloches in Querrichtung TD quer zur Abzugsrichtung MD der Materialbahn zur Verfügung, und zwar mit einer für die verwendete Bürstenelektrode typischen Auflösung.
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Als nachteilig kann insoweit festgehalten werden, dass die Überschlagserkennung nur mit einer Entladungsröhre im Hochspannungszweig stattfindet, wobei der Strom beim Überschlag ausgewertet wird. Der hohe Strom beim Überschlag ruft an einem in Serie geschalteten Widerstand einen Spannungsabfall hervor, der wiederum die Entladungsröhre zum Leuchten bringt. Die Vorgänge in der Entladungsröhre liegen im ms-Bereich, eine schnelle Abzugsgeschwindigkeit ist damit nicht möglich.
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Mit der Stromerkennung wird die Hochspannung gegen Erde abgeführt. Das Netzgerät muss dann wieder auf die Arbeitsspannung im Zeitbereich von 100 ms bis einige Sekunden, je nach Bauart, hochgefahren werden. Während dieser Erholungszeit (recovery time), die z. B. bei einer Bahngeschwindigkeit von 60 [m/min] einer Strecke von 100 mm bis mehreren m entspricht, ist keine Detektion möglich.
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Geht man nun von einer Staffelung der Sekundärelektroden aus, kann es passieren, dass bei Verwendung nur eines Netzteiles für alle Sekundärteile über einen Zeitraum von mehreren Sekunden bzw. Metern keinerlei Detektion stattfindet. Wird für jedes Sekundärelement ein separates Netzgerät mit dazugehöriger Detektion verwendet, wird die Anlage wegen der hohen Kosten unrentabel. Mehrere Defekte innerhalb eines Segmentes werden analog zum vorher gesagten ebenfalls nicht erkannt.
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Zudem findet keine Differenzierung dahingehend statt, ob der Strom durch einen Überschlag verursacht wird oder ob es sich um einen Strom zum Aufladen der Elektrodenanordnung handelt. Beim Entladen und Laden der Elektrodenanordnung entsteht dieselbe Stromrichtung.
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In der
DE 10 2004 028 080 wird eine Schaltvorrichtung für sog. Pinning-Vorrichtungen beschrieben. Die Hochspannung der Schaltvorrichtung wird bei einem elektrischen Durchbruch über eine Push-pull-Schaltung für einen einstellbaren Zeitraum im μs-Bereich gegen Erde geführt. Die Detektionseinheit ermittelt den Spannungsgradienten bei elektrischen Durchbruchfeldstärken.
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Findet ein Durchbruch an einem Defekt statt, dann erfolgt ein Spannungsabfall an einem Vorwiderstand, wobei ein Koppelkondensator entladen wird. Dessen Entladepeak triggert eine LED, die wiederum den Spannungsgradienten potentialfrei (also unter Bewirkung einer galvanischen Trennung, das heißt einer galvanischen Entkopplung) über eine optische Faser an eine Auswerteeinheit liefert.
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Die Detektionseinheit spricht bei Hochspannungs-Schwellenwerten des Spannungsgradienten von ca. 2 kV an. Die Zeitanpassung hängt von den Kapazitäten im Schaltkreis ab. Da das System für Schaltanordnungen in Pinning-Systemen bei Spannungen von ca. 10 kV und bei ca. 10 mA Strömen arbeitet, sind diese Beschränkungen nicht relevant.
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Soll die Detektionseinheit allerdings in Defekterkennungssystemen eingesetzt werden, dann müssen die Schwellenwerte des Spannungsgradienten für die Ansprechspannung und die Erholungszeiten reduziert werden, was sich jedoch als schwierig bzw. nur bedingt realisierbar erweist. Nachteilig ist ferner, dass eine Unterscheidung, wo entlang der Arbeitsbreite bezüglich der zu überprüfenden Materialbahn ein Durchschlag stattfindet, nicht vorgenommen wird.
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Die Vorveröffentlichung
JP 2001-188062 A befasst sich ebenfalls mit der Detektion von Stecknadellöchern, also sogenannten Mikrolöchern (Pinholes). Dazu werden mehrere Elektroden verwendet, die in zwei Reihen überlappend gestaffelt sind, um durch die Überlappung eine vollständige Abdeckung der Arbeitsbreite (also in Querrichtung der zu überprüfenden Materialbahn) zu erreichen.
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Die Vorveröffentlichung
JP 2011-218523 A schlägt vor, nur eine Hochspannungselektrode zu verwenden, die sich über die Arbeitsbreite erstreckt. Die Detektion und die Auflösung in Querrichtung der Materialbahn wird hier dadurch erreicht, dass eine Detektionseinheit den Durchbruch in Querrichtung feststellt. Diese Detektionseinheit kann
- a) aus einer oder mehreren CCD Kameras bestehen; möglich ist aber auch, dass hierfür
- b) Miniaturspulen entlang der Arbeitsbreite AB vorgesehen werden, die das entstehende elektromagnetische Feld beim Durchbruch detektieren können. Schließlich ist es auch möglich,
- c) gestaffelte Mikrophone zu verwenden, die das Geräusch beim Durchbruch aufnehmen. In Verbindung mit einem Laufrad lässt sich damit das Pinhole (Mikroloch) sowohl in Maschinenlängsrichtung (Abzugsrichtung) als auch Querrichtung dazu detektieren.
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Als nachteilig bei den zuvor genannten Varianten erweist sich, dass eine Detektion während der Recovery Time des Netzgerätes nicht möglich ist.
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Bei der Variante gemäß b) bzw. c) erfolgt zudem die Detektion für die Ermittlung der Position der Pinholes zu träge.
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Aber auch bei der zuerst genannten Variante a) unter Verwendung von CCD-Kameras, bestehen erhebliche Nachteile. Die Position eines oder mehrerer Durchbrüche in der dielektrischen Materialbahn werden zu einem Zeitpunkt t0 in Querrichtung zur Materialbahn (TD-Richtung) über eine Kamera und in Abzugsrichtung (MD-Richtung) über ein Laufrad erfasst und den entsprechenden Werten zugeordnet.
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Während der Recovery Time (t0 + Recovery Time) sieht die Kamera allerdings keinen Durchschlag, weil keine Hochspannung mehr an der Elektrodenanordnung anliegt. Bei der Verwendung dieses Detektionssystems bei einer Pinning-Einrichtung würde zudem der Wärmekontakt und die Fixierung zwischen Schmelze und Kühlwalze unterbrochen werden.
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Die zeitliche Auflösung der erwähnten Kamera in Abzugsrichtung MD ist von der Taktfrequenz der Kamera und der Abzugsgeschwindigkeit der Folie abhängig. Bei einer Kamera mit einer Zeilenfrequenz von 200 kHz (derzeitige obere Grenze der Entwicklung) und einer Abzugsgeschwindigkeit von 300 m/min eines Endfilmes sind theoretisch Löcher von 25 μm erkennbar, vorausgesetzt der Durchschlag findet nur innerhalb des Loches statt, und das Loch wird durch den Überschlag nicht aufgeweitet.
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Die Auflösung in Querrichtung (TD) der Materialbahn ist abhängig von der Pixelanzahl des verwendeten Arrays und dem gewünschten Scan-Bereich der Kamera. Bei Verwendung von 4 k-Pixel- und 8 k-Pixel-Arrays kann theoretisch eine hinreichend hohe Ortsauflösung in Querrichtung (TD) erreicht werden.
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Das Problem besteht hier allerdings vielmehr in der Hintergrundstrahlung, vor der sich die Korona/Plasma-Erscheinung abheben muss. Bei einer Defekterkennung nach dem Stand der Technik wird das Objekt, z. B. die Folie, beleuchtet und der Grauwertunterschied des Defektes erkannt. Bei der Durchschlagserkennung soll die Korona/Plasma-Erscheinung detektiert werden. Nimmt man an, dass 1 m Elektrodenlänge mit einer 4096-Pixel-Kamera detektiert werden soll, dann ist die Kamera mit Standardoptik (f = 50–150 mm) mehr als 1 m von der Elektrode entfernt. Da zudem die Korona/Plasma-Erscheinung stark streut, ist das Signal nur sehr schwer vom Hintergrund zu unterscheiden, wenn keine adaptive Optik verwendet wird. Bei dem beschriebenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird deshalb der gesamte Kühlwalzenbereich eingehaust, d. h. in einem alles abdeckenden Gehäuse untergebracht, was jedoch im praktischen Betrieb nicht durchführbar ist.
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Ferner bleibt anzumerken, dass bei allen vorstehend erläuterten Varianten stets keine Unterscheidung bezüglich der Defektgröße oder der Defektart stattfindet.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die genannten Nachteile zu beseitigen und ein schnelles (potentialfreies) Detektionssystem zu schaffen, welches auch Aussagen über die Defektgröße zulässt. Darüber hinaus sollen bevorzugt auch Aussagen über die Defektart möglich sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung schafft von daher die Möglichkeit, nicht nur die einfache Erkennung (ob also ein Durchschlag vorliegt oder nicht im Sinne einer JA/NEIN-Entscheidung) zu erhalten, sondern eine vollständige Orts- und insbesondere eine Form-Charakterisierung der Defekte durchzuführen.
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Mit Systemen nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich, Defektgrößen zu erkennen, da die Abtastraten in Maschinenrichtung zu langsam sind. Nach dem Stand der Technik ist es auch nicht möglich, zwischen den Defektarten zu unterscheiden.
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Die Erfindung basiert bevorzugt unter Anderem darauf, dass die Elektronik bezüglich der Defekterfassung in Längs- und in Querrichtung (MD bzw. TD) der Material- oder Warenbahn oder allgemein eines zu untersuchenden Formkörpers so konzipiert ist, dass die Sensoren zum Beispiel in Form von PIN-Photodioden durch eine Parallelverarbeitungseinrichtung mit einer sehr hohen Bandbreite (> 1 MHz) ausgelesen werden können. Eine Sensorik für die Durchschlagserkennung (auch als MD-Sensorik bezeichnet) kann mit zur Erkennung der Defektart (Oberflächenpartikel, Dichteunterschiede im Material, Mikrolöcher usw.) herangezogen werden.
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Das Signal kann außerdem zur Bestätigung der optischen Detektion verwendet werden, um auszuschließen, dass zum Beispiel nur eine Coronaentladung um die Elektrode stattfindet.
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In einem Rollenprotokoll (was nachfolgend auch als Bewegungs- oder Abzugsprotokoll bezeichnet wird) der Waren- oder Materialbahn ist die Ortsbestimmung der Defekte möglich. In Abzugsrichtung (MD) ist dies über ein nachfolgend auch als Encodersignal bezeichnetes Signal oder über eine sonstige Längenbestimmungseinrichtung möglich. Dabei kann das Encodersignal z. B. von einem Drehgeber kommen, der an der die zweite Elektrode bildenden Walze angekoppelt ist. Das Encodersignal kann aber auch von einem Laser-Velocity-Sensor kommen, dessen Strahlen auf die Oberfläche des Films gerichtet sind. Grundsätzlich sind alle wegerfassenden Systeme nach dem Stand der Technik mit genügend hoher Auflösung und Bandbreite (vorzugsweise mit einer Bandbreite > 1 MHz) bevorzugt einsetzbar. Häufig wird ein derartiges Positionsbestimmungssystem mit einem Markierungssystem gekoppelt.
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Für die Positionsbestimmung in Querrichtung (TD) über die Arbeitsbreite (AB) der Materialbahn hinweg wird im Rollenprotokoll die Position vom Rand angegeben. Zusätzlich kann durch ein Markierungssystem der Defektort und die Defektart beispielsweise farbig markiert werden.
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Bei dem oben erwähnten Encodersignal handelt es sich beispielsweise um ein von einem Drehgeber generiertes Signal, der beispielsweise an einer Walze oder an der Warenbahn angekoppelt ist. Darüber ist eine exakte Positionsbestimmung in Längsrichtung der über die Walze geführten Materialbahn möglich. Ein entsprechendes Encodersignal kann aber auch beispielsweise von einem sogenannten ”Laser Velocity Sensor” (LSV, Prinzip s. z. B. Wikipedia) generiert werden. Derartige Systeme können dabei ferner mit einem Markierungssystem gekoppelt werden, wie es grundsätzlich auch in der
US 6,707,055 B2 erwähnt ist.
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Grundsätzlich kommen aber alle wegerfassende Systeme in Betracht, die nach dem Stand der Technik bekannt sind und die im Rahmen der Erfindung eine genügend hohe Auflösung und Bandbreite von vorzugsweise über 1 MHz aufweisen.
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Der eine oder andere erfindungsgemäße Aspekt oder die eine oder andere bevorzugte Variante oder bevorzugte Ausführung der Erfindung sollen nachfolgend kurz erläutert werden.
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In Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit, der Größe des Defektes und der angelegten Feldstärke treten unterschiedliche Signale an der Sensorik auf.
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Fallbeispiel 1: Durchgehender Defekt (Loch)
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Nimmt man z. B. an, dass ein Defekt mit einer Lochgröße von 25 μm auftritt, dann steht z. B. bei v = 60 [m/min] für mind. Δt = 25 [μs] ein Signal an der Sensorik an, vorausgesetzt die Schwellenwerte der Sensorik sind so empfindlich eingestellt. Diese Schwellenwerte werden aus den Daten der Durchschlag-Sensorik (also der Sensorik für die Erfassung von Defekten in Abzugsrichtung, MD-Sensorik) ermittelt. Diese Daten sind der Gradient des Spannungs- bzw. Stromanstieges/-abfalls (also die U-I-Gradienten), die Zeitdauer des Signals, welche Leistung vom Generator gezogen wird, oder wie oft eine Streamer-Entladung stattfindet, also eine Funkenentladung zwischen den in Rede stehenden Elektroden.
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Findet ein Durchbruch (also eine Funkenentladung) statt, dann sind die U-I Gradienten (also die Spannungs/Stromgradienten) bei kleinen und großen Defekten ähnlich, was damit zusammenhängt, dass im Ersatzschaltbild einer schnellen Durchbrucherkennung z. B. nach dem Stand der Technik der
DE 10 2004 028 080 , Kondensatoren mit einer Zeitkonstante RC entladen werden. Natürlich ist die Zeitdauer des Signals kleiner, vorausgesetzt die angelegte Feldstärke ist so eingestellt, dass nicht ein größerer Defekt ausgebrannt wird. Je nach Größe des Defektes und der Abzugsgeschwindigkeit kann es vorkommen, dass Mehrfachentladungen innerhalb der Signaldauer stattfinden.
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Die Durchbruchelektronik (MD-Elektronik) wird also ein für diese Durchbruchart charakteristisches Muster aus dem Strom- bzw. Spannungsgradienten, der Zeitdauer und evtl. einem mehrfachen Durchbruchsmuster erkennen.
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Diese Information ist allerdings dahingehend noch unspezifisch, da ja zu einem Zeitpunkt t0 mehrere Defekte entlang der AB auftreten können, die z. B. einen sehr großen Defekt vortäuschen könnten. So kann es vorkommen, dass ein Durchbruch bei t0 und weitere Defekte innerhalb (t0 + nΔt) irgendwo entlang der AB auftreten.
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Das Problem wird durch den zweiten Trigger, die TD-Sensorik behoben.
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Die TD Sensorik bestimmt den Ort des Defektes entlang der AB und aufgrund der hohen Abtastrate (bzw. der hohen Bandbreite der Detektionssensorik und -elektronik) kann für jeden Defekt m auch die Zeitdauer Δtm gemessen werden.
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Hätte man es also nur mit durchgehenden Defekten zu tun, dann würde die TD Sensorik zur Defekterkennung alleine ausreichen.
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Fallbeispiel 2: Dichteunterschiede und Oberflächenpartikel
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Schwieriger wird die Einstellung der Schwellwerte bei Entladungen an Dünnstellen oder Defekten, im einsetzenden Bereich des Dunkelstromes, z. B. bei Partikel auf der O berfläche. Die TD-Sensorik (also die Sensorik für die Erfassung von Defekten in Querrichtung quer zur Abzugsrichtung der Materialbahn) erkennt bereits eine Lichterscheinung an der HV-Elektrode (also der Elektrode, die von einem Hochspannungsgenerator gespeist wird), insbesondere im Ultraviolett-Bereich (UV-Bereich). Allerdings fließt noch kein nennenswerter Strom bei der MD-Erkennung (also Erkennung in Abzugsrichtung) bzw. es findet keine nennenswerte Stromerhöhung bei Pinning-Systemen statt.
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Die Signalhöhen und die Strom- bzw. Spannungsgradienten der Durchschlagsensorik erreichen noch nicht die eingestellten Grenzwerte. Es fließt aber bereits ein geringer Strom, der z. B. die Oberfläche zusätzlich auflädt, die Ladung rekombiniert über den Film.
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Man hat hier also ein Kriterium, um zwischen Defektarten zu unterscheiden. Eine Dünnstelle (unterschiedliche Dicke oder Dichte) im Film erstreckt sich in der Praxis über einen längeren Zeitraum Δt, wobei die TD-Sensorik eine Teilentladung beobachtet, die MD-Sensorik aber noch nicht triggert. Ist an einer Stelle die Dicke oder Dichte nicht mehr ausreichend die Durchbruchfeldstärke abzuisolieren, dann erhält man an der MD-Sensorik ein anderes Signalmuster, wie bei einem Durchbruch an einem Mikroloch.
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Ähnliches gilt bei Durchbrüchen an Stippen, Gelen oder Rußpartikeln im Film. Sowohl die MD- als auch TD-Signalmuster sind für die verschiedenen Defekte charakteristisch.
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Bei einer Sensorik nach dem Stand der Technik liegt nur jeweils eine Information entweder aus der MD- oder TD-Sensorik vor, die in der Praxis dazu führt, dass entweder zu viele oder aber zu wenige der real existierenden Defekte detektiert werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Lösung vorgeschlagen, bei der zumindest zwei positive Trigger zur Charakterisierung eines Defektes verwendet werden. Durch Schwellwerteinstellung ist es möglich, Fehlermeldungen, wie sie in der Praxis durch Coronaentladung, Entladung über die Randbereiche der Folie (Materialbahn) hinweg oder Fremdlicht entstehen, auszuschließen.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen zumindest beiden unabhängig voneinander erzeugten Triggersignale (oder allgemein unabhängig erzeugten Daten- und/oder Signalströme von den zumindest beiden unterschiedlichen Mess- und/oder Sensoreinrichtungen) ist es möglich, zwischen durchgehenden Defekten in Form von Löchern oder in Form von Fehlstellen mit anderen dielektrischen Eigenschaften zu unterscheiden, beispielsweise in Form von Gelen oder Rußpartikeln oder aber auch Dünnstellen (also allgemein Stellen beispielsweise in einem zu untersuchenden Film, der eine unterschiedliche Materialdicke oder insbesondere geringere Materialdicke aufweist). Dabei erlaubt es die Anwendung einer hohen Abtastrate festzustellen, wie lange der Defekt ein Signal liefert. Dadurch sind Rückschlüsse auf die Form des Defektes möglich. Die Sensorik in Querrichtung der Materialbahn legt dabei nicht nur die Position entlang der Arbeitsbreite der zu untersuchenden Materialbahn fest, sondern deren Schwellwerteinstellung sorgt auch dafür, dass z. B. nicht jede Dünnstelle oder nicht jeder Schmutzpartikel auf der Oberfläche als Defekt detektiert und gemeldet wird. Eine schnelle Abtastung z. B. durch Photodioden sorgt zudem dafür, dass die Form bzw. die Größe des Defekts besser erkannt werden kann, wie später noch genauer erläutert wird.
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Das Vorhandensein der erwähnten, zumindest beiden positiven Trigger zur Charakterisierung eines Defekts wie aber auch die im Rahmen der Erfindung bevorzugt vorgesehene hohe Abtastrate bietet erstmalig eine Möglichkeit, die auftretenden Defekte bezüglich Art, Form und/oder Größe voneinander zu unterscheiden.
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Vor allem nur über die erwähnten beiden Triggereinstellungen ist es im Rahmen der Erfindung möglich, zwischen durchgehenden Defekten (Löchern), Fehlstellen mit anderen dielektrischen Eigenschaften (z. B. von Gelen oder Rußpartikeln) und Dünnstellen (allgemein unterschiedliche Dichte) zu unterscheiden.
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Die hohe Abtastrate erlaubt es festzustellen, wie lange der Defekt ein Signal liefert und dies ermöglicht es Rückschlüsse auf die Form des Defekts zu ziehen.
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Die Sensorik in Querrichtung (TD-Richtung) legt nicht nur die Position des auftretenden Defekts entlang der Arbeitsbreite der zu untersuchenden Materialbahn oder des zu untersuchenden Objekts fest, sondern sorgt auch im Rahmen einer möglichen Schwellwerteinstellung dafür, dass z. B. nicht jede Dünnstelle oder ein Schmutzpartikel auf der Oberfläche als Defekt gemeldet wird. Die schnelle Abtastung z. B. durch Photodioden sorgt zudem dafür, dass die Form bzw. Größe des Defekts erkannt werden kann, wie sich aus der nachfolgenden Darstellung ergibt.
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Geht man im Folgenden beispielsweise davon aus, dass ein Schmutzpartikel auf der Oberfläche eines sonst defektfreien Filmes oder Filmabschnittes liegt, also auf einer ansonsten defektfreien Materialbahn oder einem defektfreien Objekt, dann führt dies zu einer geänderten Impedanz und durch einen verringerten Abstand zum Sensor (der Partikel erhebt sich ja auf der Oberfläche) kommt es zu einer Teilentladung des anliegenden elektrischen Hochspannungsfeldes aber noch zu keinem Durchbruch. Der Schwellwert des MD-Sensors ist also noch nicht erreicht, während der TD-Sensor bereits die Position und ferner den Abbrand des Partikels erkennt. Ohne Schwellwertbildung würden sowohl MD- als auch TD-Sensoren einen Defekt signalisieren, was zur Folge hätte, dass beispielsweise bei einer Kunststofffilm-Produktion der fehlerhafte Filmabschnitt entfernt werden müsste.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
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1a: eine Anlage zur Detektion von Mikrolöchern in dielektrischen Materialbahnen in einer Querschnittsdarstellung quer zu einer Walzenanordnung;
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1b: eine auszugsweise Draufsicht längs der Pfeildarstellung 9 in 1a;
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2a: eine erste schematische Schaltungsanordnung mit einer internen Detektions-Hochspannungseinrichtung in der zur Hochspannungselektrode führenden Leitung;
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2b: eine ähnliche Darstellung wie in 2a, jedoch mit einer entsprechenden Detektionseinrichtung im Massekreis, die mit der zweiten Elektrode (Walze, oder unterhalb des Filmes befindliche Erdungselektrode, die mit dem Film nicht in Kontakt steht) verbunden ist;
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3a: eine schematische Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Steuerung zur schnellen Detektion im Hochspannungskreis;
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3b: eine schematische Darstellung eines im Rahmen der Entladekurve erzeugten analogen Signals, das zwischen Transmitter und Empfängerkreis übertragen wird;
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4a: eine erste schematische Querschnittsdarstellung quer zur auf Masse gelegten Walze unter Erläuterung des Aufbaus und Funktionsweise eines Sensors zur Erkennung eines Bogen-Überschlags;
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4b: eine alternative Ausführungsform zu 4a;
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5: eine schematische, auszugsweise Draufsicht auf eine in Querrichtung parallel zur Walze verlaufenden Sensoreinrichtung zur Erkennung von Defekten in Querrichtung zur Abzugsbahn einer Materialbahn;
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6: eine zu 5a vergleichbare Darstellung, jedoch unter Verwendung von Hallsensoren anstelle von Photodioden;
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7: eine zu 5 bzw. zu 6 vergleichbare Darstellung, bei welcher in zwei nebeneinander angeordneten Reihen quer zur Abzugsrichtung zwei unterschiedliche Sensortypen zur Detektion von Defekten in Querrichtung quer zur Abzugsrichtung angeordnet sind; und
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8: eine schematische Wiedergabe einer Gesamt-Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Lage von Defektstellen/Mikrolöchern.
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Anhand von 1a und 1b wird zunächst der grundsätzliche Aufbau einer entsprechenden Anlage erläutert, bei der eine Materialbahn 1, beispielsweise in Form eines Films oder Kunststofffilms 1' in Bewegungs- oder Abzugsrichtung MD (hier also in Maschinenlängsrichtung) bewegt wird. Der entsprechende Formkörper 1, z. B. eine zu untersuchende Materialbahn 1, gegebenenfalls in Form eines Films oder Kunststofffilms 1', kann dabei Defektstellen 3 umfassen, die nachfolgend kurz auch als ”Defekte” bezeichnet werden (darunter fallen: Pinholes, Mikrolöcher, Nadellöcher, Stippen, Gele, Partikel).
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In 1a und 1b sind dabei die Richtungen oder Vektoren in Material- oder Warenbahnlängsrichtung MD, in Querrichtung dazu, also in TD-Richtung und in Dicken-Richtung th bezogen auf die Dicke der Folie angedeutet, wobei eine Kreisdarstellung bedeutet, dass der entsprechende Vektor in der entsprechenden Zeichnung senkrecht zur Zeichenebene verläuft.
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Anhand von 1a und 1b ist zu ersehen, dass beispielsweise eine derartige Materialbahn 1 mittels einer Transporteinrichtung TE in Abzugsrichtung MD durch eine entsprechende Anlage hindurchbewegt wird. Es kann sich dabei beispielsweise um eine simultane oder sequentielle Reckanlage handeln, durch die ein entsprechender Film, insbesondere Kunststoffilm 1', hin-durchbewegt wird. In 1 verläuft die Querrichtung TD senkrecht zur Zeichenebene und damit parallel zur Zentralachse 5 einer Walze oder Rolle 7, über die die Materialbahn 1 in einem Teilumschlingungswinkel hinweggeführt ist. Grundsätzlich ist das Detektionssystem für alle dielektrischen Warenbahnen geeignet. Die Warenbahn kann kontinuierlich oder abschnittsweise (batch Betrieb) durch die Detektionseinrichtung bewegt werden. Grundsätzlich kann aber auch das Detektionssystem über eine feststehende Materialbahn hinwegbewegt werden.
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In 1b ist eine Ansicht längs der Pfeildarstellungen 9 in 1 wiedergegeben.
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Dabei ist in den 1a, 1b die über die Arbeitsbreite AB, also die Filmbreite, seitlich überstehende Walze 7 zu erkennen, auf welcher die Materialbahn 1 in dem erwähnten Teilumschlingungswinkel aufliegt, d. h. auf der Manteloberfläche 7' der Walze 7. Prinzipiell kann berührungslos auf einer Seite der Warenbahn eine geerdete Elektrode angebracht werden. Die Form der Erdelektrode kann der HV-Elektrode ähnlich sein, es sind aber auch andere Formen wie Drähte, Stäbe, Klingen usw. möglich.
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Parallel zur Zentralachse 5 und damit quer und insbesondere senkrecht zur Abzugsrichtung MD verläuft gegenüberliegend zur Walze 7 bzw. der Erdelektrode und damit auf der anderen Seite der Materialbahn 1 eine HV-Elektrode 11, die im Abstand oberhalb der Materialbahnebene E parallel zu dieser verlaufend angeordnet ist.
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Die Elektrode wird mit einer Hochspannung HV versorgt. Die eigentliche als Gegenelektrode dienende Walze 7 ist mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche oder mit einem elektrisch leitfähigen Mantel versehen. Diese Walze 7 mit ihrer Manteloberfläche 7' ist geerdet, also auf Masse 15 gelegt.
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Um in den Bereich seitlich der Materialbahn 1, also außerhalb der Arbeitsbreite AB sicherzustellen, dass dort zwischen der Elektrode 11 und der Walze 7 keine Hochspannungsüberschläge entstehen können, ist die gezeigte Elektrode 11 mittels Isolierungen 13 gegenüber der im Abstand zur Elektrode 11 befindlichen Walze 7 isoliert und dadurch geschützt. Analoges gilt für eine nicht die Warenbahn berührende Erdungselektrode.
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Bei der im Rahmen der Erfindung zur Anwendung gelangenden Überschlagserkennung von der auf Hochspannung liegenden Elektrode 11 (Linienelektrode) und der auf Masse liegenden Walze 7 sollen nunmehr in der Materialbahn 1 befindliche Defekte oder Defektstellen 3 detektiert werden.
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Die zu untersuchende Materialbahn 1 besteht dabei aus einem nichtleitenden, dielektrischen Material. Eine Seite der Warenbahn bzw. des Formkörper (z. B. Blisterverpackung) kann allerdings mit einem leitfähigen Belag versehen sein, der dann auf Erdpotential gelegt wird. Die erste Elektrode oder Elektrodenanordnung 11 und die als zweite Elektrode dienende und auf Masse liegende Walze 7 stehen sich also kontaktfrei gegenüber, wobei dazwischen auf dem Walzenmantel die aus dielektrischem Material bestehende Materialbahn 1 hinweggeführt wird. Die Spannung wird nunmehr an der ersten Elektrode 11 so eingestellt, dass die Durchbruchfeldstärke der Luftstrecke zwischen den Elektroden gerade erreicht oder überschritten wird. Durch die zwischen den Elektroden hindurchgeführte Materialbahn 1 wird bewirkt, dass die Durchbruchfeldstärke gerade nicht mehr erreicht wird.
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Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann über eine beliebige und von daher nicht näher gezeigte Transporteinrichtung TE der Formkörper oder die Materialbahn 1 oder im Konkreten ein Kunststofffilm 1' zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 7 hindurchbewegt werden. Der Formkörper oder die Materialbahn 1 kann dabei beispielsweise wie erläutert auf der zweiten Elektrode 7 diese kontaktierend oder aber auch kontaktfrei an dieser Elektrode 7 vorbeigeführt werden. Dabei wird allgemein von einer relativen Bewegungsrichtung MD gesprochen, da es unerheblich ist, ob die Materialbahn längs einer Bewegungsrichtung MD an feststehenden Elektroden vorbeigeführt oder umgekehrt die Elektroden 11, 7 gegenüber einer nicht bewegten Materialbahn 1 verfahren werden. Es kommt also nur auf die relative Bewegungsrichtung MD zwischen Elektroden und Führungskörper oder Materialbahn 1 an.
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Wird eine Fehlstelle (Defektstelle) z. B. in Form eines Mikroloches detektiert, so reicht die Spannung aus, dass es in diesem Bereich zu einem Überschlag zwischen der Elektrode 11 und der Walze 7 kommen kann. Dieser Vorgang kann dann detektiert werden und zwar einmal bezüglich seiner Position in Maschinenlängsrichtung (MD-Richtung) wie aber auch in Querrichtung dazu (TD-Richtung). Darauf soll nachfolgend eingegangen werden.
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Nachfolgend wird nunmehr im größeren Detail ein Aufbau oder eine Einrichtung zur Positionsbestimmung und damit Detektion einer Fehlstellen (Defektstelle 3), beispielsweise in Form eines Mikroloches, erörtert. Im Rahmen der Erfindung ist dabei eine MD-Positionsbestimmungs- und/oder Detektionseinrichtung zur Detektion einer Fehlstelle in relativer Bewegungsrichtung der Materialbahn oder des zu untersuchenden Formkörpers und eine TD-Positionsbestimmungs- und/oder Detektionseinrichtung vorgesehen, um die Lage einer Fehlstelle 3 in Querrichtung einer Waren- oder Materialbahn oder eines zu untersuchenden Formkörpers quer und insbesondere senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung MD zu ermitteln.
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Dabei umfasst die in Querrichtung arbeitende TD-Positionsbestimmungs- und/oder Detektionseinrichtung eine sogenannte erste Mess- und/oder Sensoreinrichtung. Die in relativer Bewegungsrichtung vorgesehene MD-Positionsbestimmungs- und/oder Detektionseinrichtung umfasst eine sogenannte zweite Mess- und/oder Sensoreinrichtung, so dass mit anderen Worten die gesamte Positionsbestimmungs- und/oder Detektionseinrichtung die zumindest eine erste und die zumindest eine zweite Mess- und/oder Sensoreinrichtung umfasst.
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Dabei wird nachfolgend gezeigt werden, dass zur Erhöhung der Messgenauigkeit neben der in Querrichtung wirkenden ersten Mess- und/oder Sensoreinrichtung noch eine dazu vorzugsweise parallel verlaufende weitere Mess- und/oder Sensoreinrichtung vorgesehen sein kann.
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Schließlich kann auch ein im Rahmen der für die MD-Positionsbestimmung vorgesehene zweite Mess- und/oder Sensoreinrichtung, das heißt ein insbesondere hierfür vorgesehener Sensor auch Teil der vorstehend erwähnten weiteren an sich für die Positionsbestimmung in Querrichtung TD vorgesehenen Mess- und/oder Sensoreinrichtung sein.
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A) Detektion in MD-Richtung
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Angenommen die erwähnte Waren- oder Materialbahn 1 bewegt sich in MD-Richtung mit 60 [m/min] , dann erfordert die Detektion eines Mikroloches von 1 [μm] Durchmesser eine Bandbreite f3dB von mindestens 1 [MHz] von einem nachfolgend noch erörterten Sender- und Empfängerkreis. Soll ein weiterer Defekt innerhalb eines Millimeters oder Mikrometers erkannt werden, dann muss der HV-Generator so auslegt sein, dass innerhalb 1 [ms] bzw. 1 [μs] noch genügend Energie für die Aufrechterhaltung der Durchbruchfeldstärke zur Verfügung steht. Außerdem muss das Netzteil genügend Energie zur Verfügung stellen können, wenn mehrere Defekte gleichzeitig an einer Detektionslinie auftreten.
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Es ist eine in Abzugsrichtung oder Maschinenlängsrichtung (allgemein in einer Bewegungsrichtung MD oder in einer relativen Bewegungsrichtung MD der Materialbahn oder des Formkörpers 1 relativ zur Messeinrichtung) verlaufende MD-Orts- oder Positionsbestimmungseinrichtung vorgesehen. Die MD-Ortsbestimmung kann dabei z. B. über ein Signal, beispielsweise ein sogenanntes Encodersignal oder eine sonstige Mess-Methode für die Längenbestimmung ermöglicht werden. Dieses Signal wird mit der Durchbrucherkennung korreliert, so dass beim Auftreten zweier positiver Trigger gleichzeitig die genaue Position und Lage des detektierten Defektes bezogen auf die Materialbahnlängsrichtung (MD-Richtung) und TD-Richtung exakt erfassbar ist, und in einem Rollenprotokoll aufgezeichnet wird.
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A1) Detektion in MD-Richtung innerhalb des HV-Kreises (HV-Durchbrucherkennung, MD-Erkennung)
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Grundsätzlich ist ein Hochspannungs-Generatorkreis HV-Gen so realisierbar, dass eine Detektion innerhalb des Hochspannungs-Generatorkreises möglich ist, wie aber auch eine Detektion außerhalb des Hochspannungs-Generatorkreises.
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Tritt im Dielektrikum der Materialbahn 1 ein Defekt, z. B. ein Mikroloch 3 (Pinhole) auf, dann wird durch eine interne Detektionseinheit int_DET_HV, int_DET_Ground innerhalb des HV-Kreises (2a oder 2b) und durch eine externe Detektionseinheit ext-DET_HV außerhalb des HV-Kreises als Teilfunktionalität der TD-Detektion ein Durchschlag registriert.
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Nachfolgend wird zunächst auf die Detektion innerhalb des Hochspannungs-Generatorkreises unter Bezugnahme auf 2a und 2b eingegangen.
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Die interne Detektionseinheit int-DET_HV steht in mittelbarem Kontakt zur Hochspannungsquelle HV-Gen bzw. zum Hochspannungskreis. Sie kann direkt im Generator HV-Gen, in der HV-Zuleitung 17 (2a) und/oder im Erdungskreis (2b) angeordnet werden.
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Bezüglich der Messung von auftretenden Spannungsüberschlägen kommen verschiedene Möglichkeiten und Varianten in Betracht, die übergreifend als interne Detektionseinheit int_DET_HV bezeichnet wird. Die eigentliche Sensoreinheit wird als Arc Detektion Sensor ADS bezeichnet, die Varianten werden hier kurz zusammengefasst.
- a) Zur Messung direkt im/am Generator (HV-Gen) können die nach dem Stand der Technik (z. B. J. Lucas high Voltage Engineering, 2001;http://www.dee.hcmut.edu.vn/vn/bomon/bmhethong/tail ieu/tienganh/High%20Voltage%20Engineering.pdf) bekannten Transformatoren und Potential-Teiler-Methoden (resistiv, kapazitiv) sowie Teilentladungsmessungen angewandt werden.
- b1) Die Erkennung kann gemäß 2a in der Hochspannungszuleitung 17 über eine Sensoreinrichtung (Arc Detection Sensor), die einen Koppelkondensator und eine Spannungsteilerschaltung umfasst, in oder an der Hochspannungsleitung 17 erfolgen (dies wird nachfolgend noch umfassend erörtert).
- b2) Die Erkennung des Durchschlages kann auch mittelbar über einen Lastwiderstand und einen Stützkondensator oder einen Isolationstrafo erfolgen, und zwar durch einen Spannungs- bzw. Stromsensor, wie sie z. B. in Photovoltaikanlagen eingesetzt werden (Schaltkreise, arc fault circuits, von TI, Intersil, usw.). Bei einigen dieser Schaltkreise (z. B. TI) ist ein Detektionsalgorithmus einstellbar (teaching, s. z. B. White Paper zu RD195), der eine Frequenzbandfilterung und Schwellwertsetzung für die verschiedenen Durchbrucharten erlaubt.
- b3) Die Triggerung kann auch über einen Sensor wie in b1) oder b2) in der Erdungsseite 17' erfolgen.
- c) Die Erkennung erfolgt über einen elektromagnetischen Sensor am Dielektrikum des Hochspannungskabels 17, wie etwa eine Hallsensorik, eine Spule (auch Isolationstrafo) oder Reed Sensor.
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Bei den Detektoreinrichtungen gemäß den erläuterten Ausführungsbeispielen nach den Fällen a), b1), b2), b3) und c) ist es wichtig, dass der eigentliche Sensor und die Spannungsversorgung des Sensors potentialfrei getrennt von der Empfänger-Auswerteeinheit vorgenommen wird. Diese Einheit wird im Folgenden als Transmitter 19 bezeichnet. Der Transmitter überträgt potentialfrei die entsprechend angepassten Signale des Arc Detection Sensors, die Endstufe kann beispielsweise aus einem Optokoppler bzw. aus einer Sende- und Empfängerdiode mit LWL Kopplung bestehen. Im Prinzip sind auch andere potentialfreie Transmitter eines WSN (wireless sensor networks, induktiv, WLAN, BlueTooth, NFC usw.) einsetzbar.
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Um die Nachrüstbarkeit an bestehenden Anlagen zu gewährleisten, wird auf die bevorzugte Ausführungsform b1) im Detail eingegangen und anhand der 2a und 3a nachfolgend erläutert.
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Die Sensoreinheit kann dazu gemäß
3a in der Hochspannungszuleitung
17 über einen Koppelkondensator C und einen Spannungsteiler R1/R2 erfolgen. Insofern entspricht das System dem Stand der Technik der
DE 10 2004 028 080 B4 , auf deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfang Bezug genommen wird. Im Prinzip wird im Stand der Technik der Gradient dG/dt (G = Strom bzw. Spannung) des/der Entladepeaks S des Koppelkondensators als Trigger für die Defekterkennung verwendet. Die dort spezifizierte Schaltung kann nur als Zähler von Durchschlägen verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltung der 3a weist folgende Merkmale auf:
- i) Die RC-Kombination aus dem Koppelkondensator C und dem Spannungsteiler R1, R2 wird so gewählt, dass eine möglichst hohe Abtastrate erreicht wird. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes wird für kleiner/gleich 1 [μs] optimiert.
- ii) Um zusätzliche Informationen zur Form und Dauer des Defektes zu gewinnen, wird erfindungsgemäß die gesamte Form und Dauer des/der Entladungspulses durch eine schnelle Elektronik Tr erfasst, der Strom- bzw. Spannungsgradient wird als ein Triggerkriterium für das Starten der schnellen Datenwandlung verwendet.
- iii) Die Signalinformationen aus i) und ii) werden potentialfrei, optisch oder über ein WSN, im Transmitter 19 an die Datenauswertung AE übertragen.
- iv) Die analogen Daten werden digitalisiert (AD/DC) und einem Rechner μC zugeführt, der zusammen mit der TD-Detektion und dem Encodersignal die Steuerung der gesamten Detektionseinrichtung durchführt.
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Um die Schemazeichnung der 2 und 3 zu vervollständigen, werden noch einige Details erläutert.
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Das Relais R1 und die Diode D1 in 3a dienen zur Umschaltung der Polarität der Hochspannungsquelle HV-Gen.
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Der Transmitterkreis Tr, ist so ausgelegt, dass ein analoges Signal der Entladungskurve S1 (3b) des Kondensators C (zur Veranschaulichung in 3b nur schematisch dargestellt) mit einer Zeitkonstante kleiner 1 μs in die potentialfreie Übertragungseinrichtung 19 übertragen wird. Wird z. B. ein Optokoppler oder eine Sender- und Empfänger-PIN D3 und D4 mit einem Lichtwellenleiter LWL dazwischen, verwendet, dann muss auch deren Bandbreite > 1 MHz umfassen.
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Wichtig ist dabei, dass keine elektrische Kopplung z. B. durch ein gemeinsames Netzteil oder eine sonstige elektrisch direkt leitende Verbindung besteht. Dies heißt zum Beispiel, dass die Spannungsversorgung und die Datenermittlung zwischen dem Sendeteil (hier in Form von PIN-Photodioden oder beispielsweise in Form von Hallsensoren etc.) und dem Empfängerteil (hier beispielsweise in Form der Verstärker- und Auswerteelektronik etc.) potentialfrei ausgelegt werden müssen.
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Um zusätzliche Informationen zur Form und Dauer (Größe) des Defektes zu gewinnen, wird erfindungsgemäß die gesamte Form und Dauer des Entladungspulses durch eine schnelle Elektronik erfasst, der Strom- bzw. Spannungsgradient wird als ein Triggerkriterium für das Starten der schnellen Datenwandlung verwendet.
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Über den dem Receiver R nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler (in 3b angedeutet durch AD/DC) und über die nachgeschalteten FIFO-Stufen erfolgt die Datenauswertung in einer elektronischen Auswerteeinrichtung AE, die einen Computer μC umfasst. Mit anderen Worten erhält also der Computer μC dadurch ein erstes MD-Trigger-Zeitsignal und eine mittelbare Form und Größeninformation MD-TS-T über den Defekt.
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Im Rechner (Auswerteeinrichtung AE) werden dann auch die Signale der TD-Erkennung verarbeitet. Zusammen mit den vorgegebenen Schwellwerten ist dann eine Defekterkennung nach Art, Form und Größe eines Defektes möglich.
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Gleichzeitig erhält der Computer μC auch von der MD-Ortserkennungseinrichtung beispielsweise in Form des MD-Encoders (2a oder 3b) ein entsprechendes auf die Position in Abzugsrichtung der Materialbahn bezogenes Ortssignal MD-TS-O, wodurch festgelegt ist, an welcher Position bezogen auf die Längsrichtung MD der Materialbahn 1 eine detektierte Defektstelle 3 aufgetreten ist.
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Die Funktionalität der Detektionseinrichtung kann zusammen mit einer schnellen push-pull-Schaltung nach dem Stand der Technik gemäß der
DE 10 2004 028 080 dazu verwendet werden, dass der HV-Generator auf gleichem HV-Potential betrieben werden kann. Ohne diese push-pull-Schaltung muss der HV-Generator so ausgelegt werden, dass er auch nach mehreren gleichzeitig auftretenden Durchbrüchen genügend Leistung zur Verfügung stellen kann.
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A2) Detektion in MD-Richtung außerhalb des HV-Kreises
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Die Detektion eines Durchbruches kann durch externe Sensoren ext-DET_HV allein, in Verbindung mit int-DET_HV, und/oder in Kombination mit der TD-Sensorik zur Bestimmung des Durchbruchortes entlang der Arbeitsbreite AB erfolgen.
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Mit externen HV-Sensoren sind z. B. Hall- und E-Feldsensoren gemeint, die das elektromagnetische Feld eines Durchbruches messen können. Erfolgt z. B. ein Durchbruch zwischen der HV-Elektrode und Grund, dann verursacht der fließende Strom ein magnetisches Feld, das von Hallsensoren gemessen werden kann. Analoges gilt für die E-Feldsensorik. Grundsätzlich können die HV-Sensoren (einer oder mehrere) entlang der HV-Elektrode angeordnet werden (siehe 5). Die Signale dieser Sensoren können sowohl als Trigger eines Durchbruches, als auch zur Charakterisierung der Form und der Größe eines Defektes herangezogen werden. Deshalb wird auf sie näher unter der TD-Detektion eingegangen.
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Wichtig ist auch hier die potentialfreie Auslegung der Detektions- und Auswerteeinrichtungen.
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Zusammenfassend soll also an dieser Stelle betont werden, dass die MD-Positions- und/oder Detektionseinrichtung letztlich zumindest eine Mess- und/oder Sensoreinrichtung umfasst, die von den nachfolgend erläuterten Sensoreinrichtungen getrennt aufgebaut ist und auf einem unterschiedlichen Funktions- und Wirkprinzip zu den nachfolgend erläuterten Mess- und/oder Sensoreinrichtungen basiert und arbeitet.
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Allerdings können bestimmte Varianten der erläuterten Mess- und/oder Sensoreinrichtung zur MD-Positionsbestimmung eines Überschlags 25 auch Teil einer weiteren Positions- oder Detektionseinrichtung und damit einer weiteren Mess- und/oder Sensoreinrichtung sein, die zumindest auch für eine Positionsbestimmung eines Überschlags 25 in Querrichtung TD vorgesehen ist, insbesondere dann, wenn diese auch für die Positionsbestimmung in Querrichtung TD der Materialbahn Hallsensoren umfasst, da zumindest einer von den hierfür vorgesehenen mehreren Hallsensoren (worauf nachfolgend noch eingegangen wird) auch als Sensor zur Positionsbestimmung in relativer Bewegungsrichtung MD mit herangezogen werden kann.
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Neben der vorstehend erläuterten zweiten Mess- und/oder Sensoreinrichtung für die Positionsbestimmung und/oder Detektion einer Fehlstelle 3 in relativer Bewegungsrichtung (MD-Richtung), insbesondere einer Materialbahn oder Kunststofffolienbahn, wird nunmehr nachfolgend auf die als erste Mess- und/oder Sensoreinrichtung vorgesehene Positionsbestimmungs- und/oder Detektionseinrichtung eingegangen, die zur Lokalisierung und Ortsbestimmung einer Fehlstelle 3 in Querrichtung (TD-Richtung), insbesondere einer Materialbahn 1 oder eines sonstigen Objektes, vorgesehen ist.
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B) Detektion in TD-Richtung
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Die TD-Positions- oder Ortsbestimmung kann auf unterschiedlichem Wege erfolgen.
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B1) Optische Erkennung der TD-Position
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Eine TD-Ortsbestimmung sowie eine weitere Information zur Erkennung der Form und Größe eines Defekts kann z. B. mit einer optischen Erkennungseinrichtung 21 umgesetzt werden.
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Ein Sensorelement Sn, z. B. mit einer reverse-biased-Photodiode PIN_An, detektiert den Durch- oder Überschlag 25 zwischen der Elektrode 11 und der auf Masse liegenden Walze 7 oder einer Erdelektrode 7. Dabei kann der Sensor Sn noch eine, der Photodiode PIN_An vorgelagerte, in der Regel fokussierende optische Einrichtung 29 (Zylinderlinse, Kollimationsoptik, GRIN Optik) umfassen, wie dies ebenfalls schematisch anhand von 4a in einer seitlichen Schnittdarstellung dargestellt ist. Je nach gewünschter Auflösung wird der durch die Fokusoptik erfasste Breiten- oder Querabschnitt ADT auf eine PIN_An geleitet, über einen Transimpedanzverstärker 101 verstärkt und dann einer potentialfreien Datenübermittlung 19 (Optokoppler oder D3, LWL, D4) zugeleitet.
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Bei genügend hoher Stapeldichte der PIN_An kann auch auf die Optik verzichtet werden.
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Die Spannungsversorgung des Empfängerkreises muss potentialfrei zur restlichen Anordnung (HV- und Empfängeranordnung) ausgelegt werden. Das optische, elektrisch potentialfreie Signal wird dem Empfängerkreis R_O zugeführt .
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Alternativ könnte auch – wie anhand von 4b wiedergegeben ist – beispielsweise ein Durch- oder Überschlag 25 von einem Kollimator 29 erfasst werden, welcher das von dem Bogenüberschlag 25 ausgehende Licht in der Regel über eine Kollimationsoptik in eine optische Faser LWL zu einem Empfänger R_O weiterleitet.
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Entlang des Breiten- oder Querabschnitts AB sind n Kollimatoren gestaffelt angebracht, um die gesamte Arbeitsbreite AB abzudecken. Da in diesem Fall das (optische) Signal bereits potentialfrei übertragen wird, kann hier die unabhängige Spannungsversorgung und die elektrische Abschirmung gegenüber der Hochspannungsquelle entfallen.
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Dieser Sensor S, Sn umfasst eine PIN_An, die über einen Verstärker 101 (TIA Transimpedance Amplifier) verstärkt wird, um die nötige hohe Bandbreite zu erhalten.
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Durch die Vorspannung der PIN_An können sehr schnelle Signalanstiege erfasst werden, die dem erwähnten Verstärker TIA hoher Bandbreite zugeführt werden. Damit ist es möglich, über die Signalform und -dauer Rückschlüsse auf den Defekt zu ziehen. Die Erfassung der Daten erfolgt z. B. über eine A/D Wandlung.
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Als Sensoren eignen sich Arrays, PSD (Position Sensitive Device = ortsauflösende Photodiode), PIN-Photodiode, APD (Avalanche-Photodiode = hochempfindliche und schnelle Photodioden), CIS (Contact Image Sensors = Kontakt-Bildsensor, gestaffelte Lineararrays) und optische Multiplexeranordnungen.
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Die erläuterte Sensorik muss potentialfrei ausgebildet sein, insbesondere potentialfrei in isolierenden Gehäusen, um Überschläge von der Hochspannungselektrode zu vermeiden. Die Spannungsversorgung der reverse-biased-Sensoren und der Verstärkerelektronik TIA erfolgt über integrierte Akkus, Trenntrafos oder Induktion. Grundsätzlich kann ein potentialfreier Datenaustausch über Transmitter (Optokoppler, WSN) 19 erfolgen. Die Detektion kann auch potentialfrei über optische Fasern (Faser- bzw. optische Kollimatoren, Selfoc, usw.) erfolgen. Es wird insoweit auf den Aufbau gemäß 4a verwiesen, der bezüglich des dort verwendeten Optokopplers 19 zur Erzielung einer Potentialtrennung (galvanischen Trennung) einen Grundaufbau zeigt, wie er grundsätzlich auch anhand der 2a und 2b erläutert wurde, so dass auch insoweit auf die 2a und 2b bezüglich weiterer Details verwiesen wird.
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An dieser Stelle soll auch betont werden, dass die anhand von 2a gezeigte Mess- und/oder Sensoreinrichtung wie aber auch die anhand von 2b gezeigte Mess- und/oder Sensoreinrichtung nicht nur alternative Lösungen darstellen, sondern auch miteinander kombiniert werden können. Mit anderen Worten kann also eine Hochspannungsdetektion (HV-Detektion) bezogen auf die relative Bewegungsrichtung MD der Materialbahn sowohl im Hochspannungs- als auch im Erdungskreis vorgesehen werden.
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Entlang der Arbeitsbreite AB werden bevorzugt die erläuterten Sensoren gestapelt (kollinear oder unter einem Winkel) angebracht. Je nach Durchschlagsort werden ein oder mehrere Sensor S, Sn etc. angesprochen. Je nach Anzahl der Sensoren und der optischen Abbildung kann der Durchschlagsort entlang der Arbeitsbreite AB bestimmt werden.
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Insbesondere werden hier vorgespannte Photodioden im sichtbaren oder aber auch im Ultravioletten (UV) Bereich eingesetzt, um die Plasmaerscheinungen im Dunkelstrom und im Streamer-Bereich zu detektieren. Erfindungsgemäß werden die einzelnen PIN-Photodioden gegeneinander oder gegen eine Referenzzelle abgeglichen, um einen besseren Signal-Untergrund oder um ein besseres Rausch-Verhältnis gegen das Umgebungslicht zu erreichen. Dazu wird z. B. das Signal PIN_An gegen das Signal mindestens einer PIN_Cn referenziert, wie dies schematisch in der auszugsweisen Darstellung in Draufsicht gemäß 5 wiedergegeben ist. Dort sind über die Arbeitsbreite in TD-Richtung (also in Querrichtung quer zur Abzugsrichtung MD) die Vielzahl von beispielsweise aus PIN-Photodioden bestehenden Sensoren nebeneinanderliegend angeordnet eingezeichnet. Diese Sensoren oder Photodioden sind oberhalb der Materialbahn 1 in Abzugsrichtung der Materialbahn 1 zur Elektrode 11 vor- oder nachlaufend angeordnet, vorzugsweise parallel zur Elektrode 11. Ebenfalls eingezeichnet ist in 5 die Auflösung ATD in Querrichtung, die von der Erstreckungsbreite einer zugehörigen Photodiode, allgemein eines Sensors S, Sn, abhängig ist.
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Bei hohen Genauigkeitsanforderungen können jeweils zwei PIN-Dioden in einer sog. balancierten Schaltung (siehe Hobbs) referenziert werden.
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Die aktiven Flächen der Sensoren S, Sn, insbesondere in Form von PIN-Photodioden, bestimmen die TD-Ortsauflösung ATD, die meist ausreicht, um auf weniger als 1 mm den Durchschlagsort in der Arbeitsbreite AB zu bestimmen. Sollte eine höhere Auflösung notwendig werden, kann eine zweite versetzte PIN-Diodenreihe angeordnet werden, d. h. es können in Abzugsrichtung MD zwei Reihen von PIN-Dioden oder allgemein Sensoren S, Sn angeordnet sein, wie dies grundsätzlich anhand von 5 für eine Reihe gezeigt ist. Allerdings würden bei in zwei Reihen nebeneinander angeordneten Sensoren S, Sn die Sensoren in der zweiten Reihe in Querrichtung TD versetzt zu den Dioden in der ersten Reihe angeordnet werden, und zwar bevorzugt so, dass sich die aktiven Flächen der Sensoren überlappen. Dadurch kann die Arbeitsbreite AB in Querrichtung TD vollständig abgedeckt werden. Die PIN-Photodioden können zu funktionalen Einheiten zusammengefasst werden, die dann über die Arbeitsbreite AB gestapelt und/oder schräg gestellt angeordnet werden können.
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Bei der Verwendung von Kollimationsoptiken, die auch gestaffelt ausgeführt werden können, wird ein bestimmter AB Bereich erfasst und einer Photodiode zugeleitet.
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Dadurch verringert sich die TD-Auflösung, ist aber kostengünstiger und vereinfacht die Datenerfassung.
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Anhand der Signalhöhe, der Form (Einzelpuls, Streamer, usw.) und Dauer des Signals wird in Kombination mit den Daten der MD-Detektion in Abzugs- oder Maschinenlängsrichtung gegenüber den vorgegeben Schwellwerten referenziert und eine bestimmte Defektklasse ausgegeben.
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Da es unter Produktionsbedingungen zu Verschmutzungen der Optik kommen könnte, ist ein Luftvorhang vorzusehen.
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Durch die erläuterten Sensoren, insbesondere beispielsweise in Form von PIN-Photodioden, ist also eine erste Mess- und/oder Sensoreinrichtung, das heißt eine erste TD-Mess- und/oder Sensoreinrichtung beschrieben, über die eine Positionsbestimmung und/oder Erkennung eines Überschlags 25 bezogen auf die Position in Arbeitsbreite AB einer zu untersuchenden Materialbahn durchführbar ist.
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Nachfolgend wird nunmehr erörtert, dass anstelle der auf optischen Sensoren beruhenden erläuterten sogenannten zweiten Mess- und/oder Sensoreinrichtungen aber auch auf einem elektromagnetischen Funktionsprinzip basierende sogenannte zweite Mess- und/oder Sensoreinrichtungen für die Positionsbestimmung in Querrichtung TD anwendbar sind.
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B2) Elektromagnetische Erkennung der TD-Position
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Anstatt der optischen Mess- und/oder Sensoreinrichtungen unter Verwendung von optischen Sensoren, wie anhand der 4a bis 5a erläutert, können aber auch für die sogenannten zweiten Mess- und/oder Sensoreinrichtungen Hallsensoren HS oder E-Feld-Sensoren entlang der Querrichtung TD gestapelt eingesetzt werden (6). Jeder Durchschlag unter Erzeugung eines Bogen-Blitzes 25 zwischen Elektrode 11 und Walze 7 verursacht einen Stromfluss gegen Erde (und Masse 15) und somit eine Änderung der elektromagnetischen Feldverteilung, die mit den Hallsensoren HS detektiert werden kann. Bevorzugt werden lineare Hallsensoren HS eingesetzt (z. B. von der Firma Honeywell). Durch die ermittelte Linearität und die Zeitdauer des Bogen-Überschlags 25 kann die Größe der Defektstelle 3 (Mikroloch) referenziert werden, d. h. auf die Größe und die Formgebung des Mikrolochs rückgeschlossen werden.
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Die Sensorik muss in nicht-ferromagnetischen Gehäusen eingegossen werden, um Fehlmessungen durch z. B. Metallteile zu vermeiden.
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Da die Sensoren sehr klein bauen und hoch empfindlich sind, ist die TD-Ortsbestimmung < 1 [mm] möglich.
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Die Sensoren und ein jeweils nachgeschalteter Instrumentenverstärker (INA) müssen potentialfrei mit Spannung versorgt werden, z. B. über einen Akku. Die potentialfreie Datenübertragung erfolgt durch Optokoppler.
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Im praktischen Betrieb sind sie gegen die harten Umgebungsbedingungen in der Produktion, z. B. Oligomerniederschläge, unempfindlich.
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Insbesondere bei Verwendung von Hallsensoren für die erste in Querrichtung TD detektierende Mess- und/oder Sensoreinrichtung kann zumindest einer dieser Hallsensoren auch als MD-Positionsbestimmung und/oder Detektionseinrichtung, also als zweite Mess- oder Sensoreinrichtung insbesondere für die MD-Positionsbestimmung herangezogen werden.
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B3) Elektromagnetische und optische Erkennung der TD-Position
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Natürlich ist auch eine Kombination der Varianten gemäß B1) und B2) möglich, also gemäß der anhand der 4a, 4b, 5, 5a und 6 erläuterten Ausführungsbeispiele. Somit zeigt die Variante gemäß 7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem neben der sogenannten zweiten Mess- und/oder Sensoreinrichtung, beispielsweise unter Verwendung von optischen Sensoren, nunmehr auch noch zusätzlich die sogenannte weitere Mess- und/oder Sensoreinrichtung unter Verwendung von elektromagnetischen Sensoren, wie beispielsweise Hallsensoren, eingesetzt werden können, wodurch die erzeugte Datenmenge erhöht und damit die Messergebnisse genauer werden. Man erhält dann beispielsweise eine Variante gemäß 7, wie sie bezüglich der Detektion von Defektstellen 3 in Querrichtung TD gezeigt ist. Dort sind in Querrichtung TD die erwähnten PIN-Photodioden unmittelbar nebeneinander in Querrichtung TD angeordnet und in MD-Abzugsrichtung um ein geringes Maß daneben versetzt liegend die erläuterten Hallsensoren HS, die ebenfalls in entsprechenden Abständen in Querrichtung TD nebeneinander sitzen. Damit ergeben sich zwei Reihen von unterschiedlichen Detektoren, die im geringen Abstand in Abzugsrichtung MD versetzt liegend (vor- oder nachlaufend zu den PIN-Photodioden) vorgesehen sind und sich über die gesamte Arbeitsbreite AB der Materialbahn 1 positionieren.
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Jeder einzelne der Hall- bzw. E-Feld-Sensoren kann auch als externer Trigger für die HV-Durchschlagserkennung dienen, wie das in Kapitel A2) beschrieben wurde. Da insbesondere Hallsensoren hochsensibel auf Änderungen des elektromagnetischen Feldes reagieren, ist damit eine Schwellwertbildung und die Festlegung eines Triggerkriteriums möglich.
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Vorstehend ist also ausgeführt, dass nicht nur zumindest eine Mess- und/oder Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung in Querrichtung TD vorgesehen sein kann oder muss, sondern dass auch hier neben einer ersten noch eine weitere Mess- und/oder Sensoreinrichtungen mit zusätzlichen Sensoren vorgesehen sein können, wobei bevorzugt die Sensoren der ersten Mess- und/oder Sensoreinrichtung wie aber auch der weiteren Mess- und/oder Sensoreinrichtungen jeweils zur Bestimmung einer Position eines detektierten Überschlags 25 in Querrichtung TD der Materialbahn auf Sensoren und Sensorentypen beruhen, die nach einem unterschiedlichen Funktionsprinzip arbeiten.
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Mit anderen Worten werden für die beiden Mess- und/oder Sensoreinrichtungen bevorzugt technisch unterschiedlich arbeitende und/oder unterschiedlich aufgebaute Sensoren verwendet, die im Falle eines Überschlags oder auch nur im Falle einer entstehenden Korona im Bereich der Elektrode 11 (beispielsweise im Falle einer Dünnstelle der Folie) unterschiedliche Daten und Signale erzeugen, die eine Bewertung und Unterscheidung letztlich dahingehend ermöglichen, ob tatsächlich ein Mikroloch in der zu untersuchenden Materialbahn oder des zu untersuchenden Objekts vorgesehen ist, oder beispielsweise nur eine Dünnstelle. Daneben können über die Signalgröße, Signalintensität und/oder Signaldauer jeweils auch Rückschlüsse auf die Defektart, die Defektgröße, die Defektform etc. gezogen werden.
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C) Generatoranforderungen
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Angenommen eine Warenbahn bewegt sich in MD-Richtung mit v = 60 [m/min], dann erfordert die Detektion eines Mikroloches von 1 [μm] Durchmesser eine Bandbreite f3dB von mindestens 1 [MHz] vom Sender- und Empfängerkreis. Soll ein weiterer Defekt z. B. innerhalb eines Millimeters oder Mikrometers erkannt werden, dann muss der HV-Generator innerhalb 1 [ms] oder 1 [μs] auf seiner Ausgangsspannung liegen. Treten mehrere Defekte gleichzeitig an einer Detektionslinie auf, dann muss das Netzteil genügend Energie ≥ 1 [kW] zur Verfügung stellen.
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Die vorstehend erwähnte Bandbreite f3dB richtet sich nach der Zeitkonstante eines RC Ersatzschaltbildes, wie dem Fachmann bekannt. Bei z. B. einer Photodiode wird die Bandbreite durch die interne Kapazität und z. B. durch den Abschlusswiderstand bestimmt.
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Außerdem muss die Zeitkonstante RC des Generators, inklusive der Zuleitungen (HV Koax), möglichst kurz sein. Ein gängiger Weg ist die Erhöhung der Schaltfrequenz (≥ 60 [kHz]) mit einer besseren Filterung, einer Spannungsdopplerschaltung (mit dem Nachteil eines verdoppelten Frequenz ripple) oder einer Filterspule.
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D) Datenerfassung und Auswertung
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Um eine lückenlose Detektion zu ermöglichen, muss das Detektionssystem die erwähnte hohe Bandbreite haben. Die führt zwangsweise dazu, dass insbesondere bei der Ortsbestimmung entlang der Arbeitsbreite AB bei hohen Abzugsgeschwindigkeiten v sehr hohe Datenmengen anfallen, die nur parallel verarbeitet werden können. Ein entsprechender Aufbau einer Auswerteeinrichtung AE ist dazu in 8 in schematischer Weise wiedergegeben, die ein Beispiel für eine Parallelverarbeitung der von den einzelnen Sensoren S, Sn beispielsweise in Form von PIN-Photodioden oder Hall Sensoren erhaltenen Signalen wiedergibt. Eine Vorauswertung kann in DSP-Bausteinen (also in digitalen Signalprozessoren) erfolgen, die z. B. die Referenzbildung zweier PIN-Photodioden zusammen mit einem Multiplexer vornehmen. Die Parallelverarbeitung geschieht in sogenannten FPGAs (field programmable gate arrays). Das angelegte Hochspannungsfeld und die Hochspannungspulse beim Durchbruch erfordern generell eine potentialfreie Datenaufnahme (und Separation), um eine Signalstörung zu vermeiden. Dies geschieht hier über Optokoppler oder über optische Faser-Übertragung, wie dies anhand der anderen Ausführungsbeispiele erläutert wurde.
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Um eine Schwellwertbildung und eine Aussage über die Defektgröße und -art zu erhalten, müssen die Signale der MD-Detektion von den erwähnten Transmittern und der TD-Sensorik zusammengeführt und bewertet werden. Die MD-Ortsbestimmung in Abzugs- oder Maschinenrichtung geschieht über eine Sensorik wie sie auch nach dem Stand der Technik grundsätzlich eingesetzt werden kann (z. B. mittels eines sogenannten Encoders).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2003/27657 A2 [0006]
- US 6707055 B2 [0006, 0036]
- DE 102004028080 [0014, 0041, 0107]
- JP 2001-188062 A [0018]
- JP 2011-218523 A [0019]
- DE 102004028080 B4 [0097]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Lucas high Voltage Engineering, 2001;http://www.dee.hcmut.edu.vn/vn/bomon/bmhethong/tail ieu/tienganh/High%20Voltage%20Engineering.pdf [0094]
