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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Lichtgitters
zur Überwachung
von geometrischen Merkmalen, insbesondere der Breite, einer Materialbahn,
welche sich durch das Lichtgitter hindurchbewegt.
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Solche überwachenden
Lichtgitter finden insbesondere für die Prüfung von bahnförmigen Materialien,
wie Papier im Rollendruck, Folien- oder Textilbahnen ihre Anwendung.
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Mit
Hilfe des Lichtgitters können
sowohl nur die Breite des Objekts überwacht, als auch Unterbrechungen,
wie Löcher
oder Risse, erkannt werden. Eine Lageregelung der Bahn ist prinzipiell
möglich, steht
hier aber nicht im Vordergrund.
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Eine
solche Überwachung
kann zur Qualitätssicherung
des Objekts (z.B. bei einer Folienbahn) oder auch zur Vermeidung
von Störungen
an der verarbeitenden Maschine infolge bestimmter Material-Unterbrechungen
wie Risse und daraus resultierender möglicher Dickenänderungen
durch umklappende oder abgerissene Bahnteile genutzt werden.
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Das
Lichtgitter besteht aus mehreren in einer Linie angeordneten optischen
Kanälen,
von denen jeder Kanal einen Lichtsender und einen Lichtempfänger aufweist.
Die Signale der einzelnen Kanäle werden
durch eine Auswerteeinheit geeignet miteinander verknüpft, so
dass aus den Zuständen
der Einzelkanäle
die gewünschte
Information ermittelbar ist.
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Die
Auswertung eines optischen Kanals erfolgt vorzugsweise binär, d.h.
es werden die Zustände „Hell" bzw. „Dunkel" anhand eines Vergleichs
des Empfängersignals
mit einem vorgegebenen Schwellwert ermittelt und ausgegeben. Eine
analoge Auswertung, welche z.B. durch A-D-Wandlung das Empfängersignal
in vielen möglichen
Zuständen
oder als Kontinuum erfasst, ist prinzipiell möglich, kommt aber wegen des
höheren
Meßzeitaufwandes,
welcher noch mit der Kanalzahl zu multiplizieren ist, in den beschriebenen
Anwendungen nicht zum Einsatz.
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Das
Lichtgitter testet die Bahnbreite der zu überwachenden Bahn und gibt
einen Alarm, falls diese unter einen bestimmten Wert fällt. Im
Lichtgitter sind Einzellichtschranken in einem gewissen Abstand
angeordnet. Durch manuelle Einstellung oder automatischen Abgleich
wird festgelegt, wie viele dieser Kanäle im Sollzustand abgedunkelt
sein müssen.
Diese Zahl wird dann als Referenzwert für die Sollbreite der Bahn genommen.
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Im Überwachungszyklus
wird die Anzahl der abgedunkelten Lichtschranken gemessen und mit der
Sollbreite verglichen. Wird die Sollbreite um einen bestimmten Wert
unterschritten, so wird ein Alarm ausgelöst.
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Das
Gesamtabbild aller Einzellichtschranken wird als Muster im Speicher
des Gerätes
abgelegt und dann zur Auswertung herangezogen.
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Die
Lage des abschattenden Objekts im Lichtgitter ist frei, d.h. die
Position der abgedunkelten Pixel im Lichtgitter kann sich während des
Betriebs ändern,
ohne dass es zu einer Alarmauslösung
führt. Damit
können
Lageschwankungen einer Papierbahn toleriert werden, solange ihre
zu überwachende
Breite dem Sollwert entspricht.
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Aus
der Literatur sind verschiedenen Überwachungslichtgitter bekannt.
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Es
wird zwischen messenden Lichtgittern, diese liefern eine Information über die
genaue Breite der Bahn, und überwachenden
Lichtgittern, diese liefern nur eine Präsenzinformation, d.h. ob sich
ein Gegenstand im Erfassungsbereich befindet, unterschieden.
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Um
nicht unnötig
Alarm auszulösen
und die Anlage abzuschalten, sind Betriebsverfahren bekannt, bei
denen bestimmte, im praktischen Betrieb wahrscheinliche Fehler-Situationen
toleriert werden, welche ansonsten zu einem Schalten des Lichtgitters führen würden. Solche
zu tolerierenden Situationen sind z.B. Löcher geringer Größe oder
lichtdurchlässige
Bereiche im Objekt sowie verschmutzte oder ausgefallenen Kanäle des Lichtgitters.
Diese Situationen können
somit kurzfristig oder dauerhaft auftreten.
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Bekannte
Lösungsprinzipien
zur Verminderung des Einflusses derartiger Störungen sind die Synchronisation
und die Überkreuzung.
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Bei
der Synchronisation sind Sender und Empfänger des Lichtgitters synchronisiert,
so dass zu einem Zeitpunkt ein bestimmter festgelegter Sender genau
einen hierzu gehörigen
Empfänger
beleuchtet. Die Nachbarkanäle
eines Kanals sind hierbei ausgeblendet. Damit ist eine genaue Zuordnung von
Sender und Empfänger
gegeben. Wird ein Nachbarkanal gestört, so hat dies keinen Einfluss
auf den gerade angesteuerten Kanal. Nachteilig ist hierbei die bei
großen
Kanalzahlen lange Auswertezeit des Lichtgitters.
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Ein
auf der Synchronisation beruhendes Verfahren wird. z.B. in
DE 100 33 077 A1 beschrieben.
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Bei
der Überkreuzung
sind Sender und Empfänger
des Lichtgitters zwar synchronisiert, die Nachbarkanäle eines
Kanals sind aber nicht ausgeblendet, so dass sie bei der Auswertung
des gerade angesteuerten Kanals ob eine Strahlunterbrechung vorliegt,
mit herangezogen werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt dann,
dass nur relativ wenige Kanäle erforderlich
sind, um eine Verletzung des Lichtvorhangs durch eindringende Gegenstände zu erfassen. Allerdings
ist ein solches Lichtgitter nicht als messendes Lichtgitter verwendbar.
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Die
Schrift
DE 43 38 978
C2 beschreibt ein solches Überkreuzen zur Erkennung defekter
Kanäle durch
zumindest zeitweise Einbeziehung der durch den Sender mitbeleuchteten
Nachbarkanäle.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es nur funktioniert, wenn
eine Überstrahlung
des Senders auf den dem eigentlichen Empfangskanal benachbarten
Empfänger
erfolgt. Außerdem
wird der mögliche
Ausfall zweier benachbarter Kanäle
durch das Verfahren nicht erfasst.
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Die
Schrift
DE 23 29 938
A1 offenbart ein Verfahren bei dem nicht angesteuerte Kanäle auf das Vorhandensein
eines in diesem Falle falschen Ausgangssignals überprüft werden. Allerdings lässt sich ein
Ausfall, der das Nichtvorhandensein eines Empfängersignals vortäuscht, nicht
erkennen.
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Aus
der Schrift
DE 196
11 195 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Lichtschrankenanordnung bekannt,
bei der zum störfreien
Betrieb von Lichtschranken bei Beeinflußung durch eine Lichtschranke
gleicher oder ähnlicher
Bauart jeder Sender Lichtstrahlen in Form von Doppelimpulsen bestehend
aus zwei Impulsgruppen aussendet. Jeder Empfänger bewertet einen Lichtstrahl
des zugehörigen
Senders dann als korrekt empfangen, wenn mindestens eine der beiden
Impulsgruppen eines Doppelimpulses als gültig erkannt wurde. Die Dauer
der Impulsgruppen der Doppelimpulse und die Pausen zwischen diesen sind
so festgelegt, daß höchstens
eine Impusgruppe eines Doppelimpulses des einen Senders von einer Impulsgruppe
eines Doppelimpulses des anderen Senders überlagert wird.
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In
DE 29 44 588 A1 schließlich wird
ein Verfahren beschrieben, welches mit zwei verschiedenen Leistungspegeln
arbeitet. Hierbei wird der leistungsstärkere Impuls zur Erkennung
einer Strahlunterbrechung herangezogen während der leistungsschwächere Impuls
zur Erkennung von Fremdlicht oder defekten Kanälen, welche dann ein Ausgangssignal
abgeben, genutzt wird. Wiederum lässt sich ein Ausfall, der das
Nichtvorhandensein eines Empfängersignals vortäuscht, nicht
erkennen In
5 ist ein
weiteres bekanntes Verfahren zur Tolerierung fehlerhafter Kanäle dargestellt.
Hierbei werden mehrere, in
5 beispielhaft
drei, Kanäle
zu einer Gruppe zusammengefasst. Nur wenn ein bestimmter Anteil
der Kanäle einer
Gruppe hell (Einzelkanal
10 im beleuchteten Kanaltripel
8)
bzw. dunkel (Einzelkanal
11 im unbeleuchteten Kanaltripel
9)
ist, wird die Gruppe als hell bzw. dunkel betrachtet. Hiermit können Einzelfehler in
der Gruppe toleriert werden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist
die deutlich reduzierte Auflösung
des Lichtgitters. Außerdem
bedeutet das Auftreten zweier Fehler in einer Dreiergruppe, dass
die gesamte Dreiergruppe als fehlerhaft ausgewertet wird.
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Schließlich ist
aus „SUNX
New and Key Products 2000 – 2001", Produktkatakog
der Fa. SUNX, Seite 20, ein weiteres Verfahren bekannt, welches mit Überkreuzung
arbeitet. Hierbei wird jeweils jeder Sender nacheinander auf alle
Empfänger
abgebildet.
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Der
Sinn dieses Verfahrens ist jedoch nicht hauptsächlich eine Verbesserung der
Toleranz gegen defekte Kanäle,
sondern der Ansatz, auch möglichst flache
Gegegenstände
erkennen zu können.
Diese unterbrechen bei genügender
Flächenausdehnung selbst
bei sehr geringer Höhe
mehrere Kanäle.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Korrekturverfahren zum Betrieb
eines Lichtgitters zur Überwachung
der geometrischen Merkmale eines bahnförmigen Objekts zu schaffen,
das den störungsfreien
Betrieb des Lichtgitters auch bei Ausfall von einzelnen Kanälen gewährleistet,
und damit den Wartungs- und Reparaturaufwand der das bahnförmige Objekt
einschließenden
Anlage zu verringern.
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Die
durch das Lichtgitter gerade noch zu erkennende Breite einer Fehlstelle
soll eine bestimmte Anzahl (beispielsweise vier) von benachbarten
Einzelkanälen
betragen. Kleinere Fehlstellen sollen keinen Alarm auslösen.
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Die
Sicherheit der Auswertung soll erhöht werden, so dass ausgefallene
Kanäle
keine Auswirkung auf das Messergebnis haben.
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Außerdem soll
ein Nutzen dadurch erzielt werden, dass Wartungsvorgänge seltener
notwendig sind und sich so die Maschinenlaufzeiten erhöhen lassen.
Schließlich
soll der Aufwand dafür
möglichst gering
gehalten werden.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1. In den Unteransprüchen
sind zweckmäßige Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben.
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Das
Objekt wird als hinreichend homogen vorausgesetzt. D. h. es soll
keine durch das Lichtgitter detektierbaren Merkmale aufweisen, welche
kleiner als der wirksame Querschnitt eines optischen Kanals sind
(z.B. einzelne hervorstehende Fasern oder Drähte).
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Gemäß dem anmeldungsgemäßen Verfahren
werden ausgefallene Kanäle
des Lichtgitters sowie Inhomogenitäten des Objekts erkannt und
wird ein wahrscheinlichstes Zustandsmuster gebildet, das dem ohne
diese Fehler entspricht und das das tatsächliche Zustandsmuster ersetzt.
Im Idealfall wird dann das Ergebnis der Messung identisch mit dem Ergebnis
einer Messung mit intakten Kanälen
sein.
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Die
Erkennung ausgefallener Kanäle
wird dadurch erreicht, dass das im Speicher des Gerätes abgelegte
Abbild der Lichtschrankenzustände
abschnittsweise, z.B. je 8 Bit, mit einem in einer Tabelle, die
beispielweise aus 1024 Einträgen
besteht, abgelegten Bitmuster verglichen wird. Jedem der z.B. 256 möglichen
Bitmuster ist ein Eintrag zugeordnet, der das für dieses Bitmuster als wahrscheinlich
zutreffend angenommene Bitmuster repräsentiert. Wenn sich das gemessene
Bitmuster von dem Speichereintrag unterscheidet, so wird ein Fehler
angenommen.
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Fehlerhafte
Kombinationen, die durch einige der z.B. 256 möglichen Kombinationen dargestellt werden,
werden dann durch die entsprechende „fehlerfreie" Informationen ersetzt.
Diese Ersatzinformation kann ein echtes Bitmuster oder aber auch
nur die Information über
die Anzahl abgedunkelter Kanäle sein.
In beiden Fällen
wird somit eine für
die Breitenmessung des Objekts in Betracht zu ziehende korrigierte
Anzahl von abgedunkelten Kanälen
ermittelt.
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Die
Zuverlässigkeit
des Ersatzes kann erhöht
werden, indem bei dem Bitmustervergleich mit der Tabelle ein zusätzlicher
Vergleich zweier oder mehrerer Nachbarbits des vorhergehenden bzw. nachfolgenden
Teilmusters durchgeführt
wird. Dies kann „Sprünge" im Mustervergleich
und damit eine fehlerhafte Abbildung des Istmusters auf das in der Tabelle
hinterlegte Sollmuster vermeiden.
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Diese
zusätzliche
Betrachtung der Nachbarbits erfordert zusätzliche Vergleichstabellen,
beispielsweise bei Betrachtung von zwei Nachbarbits ergeben sich
insgesamt vier Teiltabellen mit je 256 Einträgen, zusammen also 1024 Einträge.
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Weiterhin
lässt sich
der Schärfegrad
der Auswertung zur Tolerierung von Fehlern dadurch beeinflussen,
dass die Tabelle der wahrscheinlichsten Ersetzungen entsprechend
geändert
wird. Es wäre beispielhaft
vorstellbar, kurze „helle" Bereiche durch geeignete
Ausgestaltung der Tabelle völlig
auszublenden, z.B. um regulär
vorhandene Löcher
zu ignorieren.
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Ebenso
wäre der
umgekehrte Fall denkbar, nämlich
kurze dunkle Bereiche durch entsprechende Gestaltung der Tabelle
auszublenden.
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Durch
Vorgabe einer geeigneten Tabelle ist auch die Auswertung von geometrischen
Strukturen möglich(z.
B. Gitterstrukturen, Lattenroste, etc.). Dies kann nahezu unabhängig von
der Position der geometrischen Struktur innerhalb des Lichtgitters
erfolgen.
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Weiterhin
kann man die Tabelle während
des Betriebes ändern
oder durch eine andere Tabelle ersetzen und damit entweder eine
bessere Anpassung an die Materialbedingungen erzielen oder eine Änderung
der Materialparameter überwachen.
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Auch
lässt sich
durch Vergleich des Ist- und Sollzustandes der Lichtschrankenkanäle eine
Fehlertabelle und Fehlerliste führen,
die eine Information über
Art und Anzahl der angezeigten Kanäle geben kann. Somit ist auch
eine Vorausfallwarnung möglich.
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Es
ist außerdem
möglich,
in einer geeigneten Tabelle eine analoge Information jedes Lichtgitterkanals,
z.B. Information über
beginnende Verschmutzung oder Materialdichte, zu hinterlegen und
diese dann wie zuvor beschrieben auszuwerten.
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Aufgrund
einer besonderen Ansteuerung des Lichtgitters ist eine Synchronisation
zwischen Sende- und Empfangsteil nicht erforderlich. Die Empfangskanäle werden
durch Lichtimpulse angesteuert und speichern den Messwert für begrenzte
Zeit in einem Speicherkondensator. Nach Ablauf einer kurzen Zeit
ist das Lichtschrankenabbild ungültig,
da der Kondensator sich entlädt.
Erlässt
sich dann nur durch einen erneuten Impuls wieder aufladen. Somit
wird erhöhte
Unempfindlichkeit gegen Umgebungslicht (z.B. Sonneneinstrahlung)
erreicht. Außerdem
ist das Empfängermuster
ohne Rücksicht
auf den gegenwärtigen
Senderfortschritt jederzeit auslesbar.
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Die
Ansteuerung des Sendeteils kann also quasi im Hintergrund völlig verborgen
erfolgen und es lässt
sich jederzeit ein vollständiges
Abbild der Lichtgitterkanäle
auslesen und auswerten.
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Die
serielle Ansteuerung der Lichtgittersender ist nicht unbedingt erforderlich,
sondern es können
auch alle Kanäle
in einem gemeinsamen „Lichtblitz" belichtet und anschließend ihr
Zustand ausgelesen werden.
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Die
Erfindung soll an Ausführungsbeispielen anhand
der Abbildungen näher
erläutert
werden.
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In
den Abbildungen zeigen:
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1:
eine typische Anwendung eines Lichtgitters,
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2a-2d:
Signalmuster für
ein intaktes Lichtgitter ohne ausgefallene Kanäle,
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3a-3e:
Signalmuster für
ein Lichtgitter mit defekten Kanälen,
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4a-4b:
Signalmuster aus dem Lichtgitter und das Auswerteergebnis nach der
Umsetzung
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5:
ein Lichtgitter gemäß dem Stand
der Technik.
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1 zeigt
die Überwachung
einer Materialbahn 2, welche z.B. Löcher 3 und Risse 4 aufweisen kann,
durch das Lichtgitter 1; welches eine Senderleiste 6 und
eine Emfängerleiste 7 aufweist.
Die diese Materialbahn weiterverarbeitende Maschine ist hier durch
zwei Transportwalzen 5 angedeutet.
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Beispielhaft
sollen einige im praktischen Betrieb entstehende Muster für benachbarte
Kanäle
angeführt
werden, die zum Teil in Ordnung und zum Teil fehlerbehaftet sind.
Anhand der Punkte oder Kreise ist das von der Auswerteinheit erkannte
Muster dargestellt, wobei die aktiven Kanäle durch Punkte angedeutet
sind.
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In
den 2a-2d sind einige typische Beispiele
für intakte
Kombinationen mit verschiedenen Lagen der Materialbahn dargestellt.
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Gemäß 2a befinden
sich zwei Materialbahnen 2, 12 im Lichtgitter 1,
der Bereich 13 ist beleuchtet.
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Bei 2b befindet
sich eine Materialbahn 2 im Lichtgitter 1, der
unbeleuchtete Bereich 14 geht über die ganze Breite des Lichtgitters 1;
es gibt keinen beleuchteten Bereich.
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2c zeigt,
dass sich keine Materialbahn im Lichtgitter 1 befindet;
alle Kanäle
im Bereich 13 sind aktiv.
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In 2d befindet
sich eine Materialbahn 2 seitlich versetzt im Lichtgitter 1.
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In
den 3a-3e sind einige typische Beispiele
für Kombinationen
mit verschiedenen Lagen der Materialbahnen 2, 12 und
defekten Kanälen (dargestellt
als Teilpunkte 15 und Teilkreise 16) abgebildet.
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Gemäß 3a befinden
sich zwei Materialbahnen 2, 12 im Lichtgitter 1;
der Bereich 13 ist beleuchtet. Diese Darstellung entspricht 2a;
allerdings ist ein Kanal unter der Materialbahn 2 ausgefallen,
bzw eine kleine Fehlstelle in der Materialbahn sieht „hell" (angedeutet durch
Teilpunkt 15).
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3b zeigt,
dass sich eine Materialbahn 2 im Lichtgitter 1 befindet
und über
die ganze Breite geht. Es sind jedoch zwei Kanäle ausgefallen (oder die Bahn
wird durchleuchtet) und sehen „hell" (Teilpunkte 15).
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In 3c ist
das Lichtgitter 1 frei. Es ist jedoch ein Kanal ausgefallen
bzw. verschmutzt und sieht "dunkel" (Teilkreis 16).
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Bei 3d befindet
sich eine Materialbahn 2 im Lichtgitter 1; ein
Kanal sieht fälschlicherweise „hell" (Teilpunkt 15).
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3e deutet
eine Kombination an, bei der die in den 3c und 3d gezeigten
Fehler vorliegen (Teilpunkt 15, Teilkreis 16).
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In
den 4a und 4b sind
die Umsetzung gestörter
Zustandsmuster durch Anwendung einer internen Umsetzugstabelle 19 und
deren internes Empfängerabbild 20 unter
Einbeziehung von Nachbarbits auf die Messergebnisse dargestellt.
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Gemäß 4a sind
die zusätzlich
betrachteten Nachbarkanäle
(Senderteil 17, Empfängerteil 18) dunkel.
Das interne Empfängerabbild 20 zeigt
als Auswerteergebnis nach Anwendung der internen Umsetzungstabelle 19,
dass die internen Kanalabbilder der zuvor „hell" sehenden Kanäle (Teilpunkte 15) jetzt
dunkel sind (Kreise 21).
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In 4b sind
die zusätzlich
betrachteten Nachbarkanäle 17, 18 hell.
Das interne Empfängerabbild 20 zeigt
als Auswerteergebnis nach Anwendung der internen Umsetzungstabelle 19,
dass das interne Kanalabbild des zuvor „hell" sehenden Kanals (Teilpunkt 15)
jetz dunkel (Kreis 21) und das interne Kanalabbild des
zuvor „dunkel" sehenden Kanals
(Teilkreis 16) jetz hell (Punkt 22) ist.
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Man
kann erkennen, dass für
beide Fälle
je ein wahrscheinlichstes Muster gefunden wurde, dessen Aussehen
durch Einbeziehung der Nachbarkanäle jeweils gesichert ist.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile, welche sich aus der Beschreibung
ergeben, sind insbesondere darin zu sehen, dass einzelne ausgefallene Kanäle im Bahninneren
keinen Einfluss auf das Messergebnis haben. Am Bahnrand kann es
systembedingt zu einem Messfehler von einer Kanalbreite kommen.
Durchscheinende Einzelstellen in der Bahn werden kompensiert und
führen
auch bei gehäuftem Auftreten
nicht zu einer fehlerhaft gemessenen Gesamtbreite. Fehlstellen und
Löcher
ab einer gewissen Breite werden dennoch erkannt und deren Auswirkung
auf die Gesamtbreite korrekt berücksichtigt.
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Die
Schärfe
der Auswertung lässt
sich durch die im Gerätespeicher
hinterlegten Tabellen beeinflussen. Die Wahl der Ausgestaltung der
Tabelle erlaubt es sogar, Löcher
als Sollattribute für
eine intakte Auswertung zu nutzen.
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Durch
das beschrieben Verfahren wird ein Auswerteergebnis in das Überwachungssystem
implementiert, welches nicht zu überflüssigem Alarm oder
Abschaltung der überwachten
Anlage führt.
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- 1
- Lichtgitter
- 2
- Materialbahn
- 3
- Loch
- 4
- Riss
- 5
- Transportwalzen
- 6
- Senderleiste
- 7
- Empfängerleiste
- 8
- Kanaltripel
beleuchtet
- 9
- Kanaltripel
unbeleuchtet
- 10
- Einzelkanal
im beleuchteten Tripel
- 11
- Einzelkanal
im unbeleuchteten Tripel
- 12
- Zweite
Materialbahn im Lichtgitter
- 13
- Bereich
(beleuchtet)
- 14
- Bereich
(unbeleuchtet)
- 15
- Teilpunkt
(sieht „hell")
- 16
- Teilkreis
(sieht „dunkel")
- 17
- Nachbarkanal
im Senderteil
- 18
- Nachbarkanal
im Empfängerteil
- 19
- Interne
Umsetzungstabelle
- 20
- Internes
Empfängerabbild
- 21
- Kreis
(sieht „dunkel")
- 22
- Punkt
(sieht „hell")