DE10318756A1

DE10318756A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von Blattgut

Info

Publication number: DE10318756A1
Application number: DE2003118756
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Domke; Klaus Thierauf; Paul Dr. Smith; Hans-Uwe Richter
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-26
Also published as: DE10318756B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke von Blattgut, insbesondere von Banknoten, bei dem die Dicke aufgrund der Laufzeitdifferenz von Ultraschallsignalen bestimmt wird, die von dem zu prüfenden Blattgut beidseitig reflektiert werden. DOLLAR A Indem das zu prüfende Blattgut von zwei gegenüberliegenden Seiten her mit Ultraschallsignalen mit unterschiedlichen Signalformen bestrahlt wird, kann auch die Dicke des Randes des Blattguts eindeutig und sicher bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von Blattgut, insbesondere von Banknoten, bei dem das Blattgut entlang einer Transportstrecke transportiert, mit einem Ultraschallsignal bestrahlt und die Dicke des Blattguts aufgrund einer Messung der Laufzeit des von dem Blattgut reflektierten Ultraschallsignals bestimmt wird. Zudem betrifft die Erfindung einen zugehörigen Dickensensor für eine solche Vorrichtung.

Ein solches System zur Dickenmessung ist beispielsweise aus der DE 44 46 367 A1 bekannt. Hiernach werden Banknoten einzeln entlang einer Transportstrecke befördert und von mehreren Ultraschallsendern, die sich quer zu der Transportrichtung erstrecken, mit Ultraschallsignalen über die gesamte Breite der vorbeitransportierten Banknoten bestrahlt. Zur Bestimmung des Flächengewichts der Banknote wird der durch die zu prüfende Banknote transmittierende Schallanteil erfaßt und ausgewertet. Es ist angegeben, daß der Schall auch in Reflektion erfaßt werden kann, um die Dicke der Banknoten zu bestimmen. Die zu prüfenden Banknoten werden dabei phasengleich durch zwei Sender beschallt, die eine gleiche Abstrahlcharakteristik haben. Diese Dickenmessung kann wahlweise dazu dienen, fehlende Teile, wie z.B. Löcher oder fehlende Ecken an Banknoten, Doppel- bzw. Mehrfachabzüge von überlappenden Banknoten oder auf der Banknote aufgebrachte Klebestreifen erkennen zu können.

Weiterhin beschreibt die DE 36 39 228 C2 einen Dickensensor, bei dem die Dicke eines Meßobjektes dadurch bestimmt wird, daß dieses von zwei gegenüberliegenden Seiten her mit Ultraschall bestrahlt und die Laufzeit der an der oberen und unteren Oberfläche des Meßobjektes reflektierten Echowellen gemessen wird. Hierbei werden Ultraschallwandler verwendet, die sowohl zum Aussenden, als auch zum Empfangen von reflektierten Ultraschallsignalen dienen.

Die DE 4115 850 C2 beschreibt ebenfalls einen Dickensensoren, der hierzu an einem Meßobjekt reflektierte Ultraschall-Echosignale erfaßt.

Diese bekannten Systeme basieren üblicherweise darauf, einen monofrequenten Puls auf das zu messende Objekt zu richten und die Laufzeit des Maximums des Sende- und des von dem Meßobjekt reflektierten Empfangsimpulses auszuwerten.

Als Nachteil dieser bekannten Systeme zur Messung der Dicke von Blattgut hat sich erwiesen, daß in bestimmten Fällen die Dicke an den Randbereichen des Blattguts nur sehr ungenau bestimmt werden kann. Dies ist dadurch bedingt, daß z.B. bei sich gegenüberliegenden und sich jeweils quer zur Transportrichtung erstreckenden Arrays von Ultraschallwandlerelementen der Rand einer zu messende Banknote unter Umständen den Meßkanal eines der Ultraschallwandlerelemente der Arrays nur zum Teil abdeckt, so daß sich die von der zu messenden Banknote reflektierten Signale zusammen mit seitlich an deren Rand vorbeilaufenden Signalen des gegenüberliegenden Wandlerelements überlagern. Diese Überlagerung von reflektierten und direkt empfangenen Ultraschallsignalanteilen macht eine Auswertung der Meßsignale zur Bestimmung der Dicke an den Randbereichen der Banknote sehr problematisch. Bei einer bisher auch üblichen Dickenmessung mit Ultraschall mittels Transmissionsmessung ergibt sich das gleiche Problem. Eine solche Dickenmessung ist allerdings insbesondere für das Erkennen von Klebestreifen am Randbereich der Banknote gewünscht.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Dicke von Blattgut mittels Ultraschall bereitzustellen, die auf einfache Weise auch eine Messung der Dicke des Blattguts in dessen Randbereichen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.

Die Erfindung geht somit von der Erkenntnis aus, daß eine sichere Messung der Dicke auch des Randbereiches eines Blattes durchgeführt werden kann, wenn dieses zweiseitig mit Ultraschall bestrahlt wird und die Ultraschallsignale dabei eine unterschiedliche Signalform haben. Dies ermöglicht, daß selbst dann, wenn z.B. eine zu prüfende Banknote den Meßkanal zwischen zwei gegenüberliegenden Ultraschallwandlern nur teilweise bedeckt, auf einfache Weise aufgrund der unterschiedlichen Signalform die Signalanteile im Meßsignal, d.h. die von dem zu prüfenden Blattgut reflektierten Ultraschallsignalanteile und die an sich störenden, am Rand vorbeigestrahlten Signalanteile eines gegenüberliegenden Wandlers, bei der Auswertung getrennt werden können.

Die Dickenmessung kann dabei erfolgen, indem die Laufzeit der von beiden Seiten des zu prüfenden Blattguts reflektierten Ultraschallsignale und zudem in Blattgutlücken die Laufzeit der durch den Raum zwischen den gegenüberliegenden Ultraschallwandlern sich ausbreitenden Ultraschallwellen bestimmt und ausgewertet wird.

Als Ultraschallsignale mit unterschiedlicher Signalform werden dabei bevorzugt Signale verwendet, die unterschiedlich codiert sind. Unter einer Codierung wird dabei eine Charakteristik des Signals verstanden, die z.B. in einem unterschiedlichen Frequenzverhalten und/oder einer unterschiedlichen Amplitudenform des Signals besteht.

So können beispielsweise sogenannte frequenzmodulierte Chirp-Signale verwendet werden, deren Pulsfrequenz während der Burstdauer variiert wird. Der Unterschied in der Signalform kann in diesem Fall beispielsweise in einem Ansteigen im Vergleich zu einem Abfallen der Pulsfrequenz und/oder in einem unterschiedlichen Ausmaß des An- bzw. Abfallens der Frequenz, wie z.B. in unterschiedlichen nichtlinearen Frequenzcharakteristiken der Chirp-Signale bestehen.

Eine Verwendung von solchen Chirp-Signalen erweist sich bei der Dickenmessung von Blattgut auch unabhängig von der Verwendung unterschiedlicher Signalformen als besonders sinnvoll. Solche frequenzmodulierten Pulse haben den Vorteil, daß mit ihrer Hilfe die Auflösung des Laufzeitmeßverfahrens signifikant erhöht werden kann.

So ist bei den bekannten Dickensensoren, bei denen die Laufzeit aus dem Abstand der Maxima des Sende- und Empfangspulses gemessen wird, die maximal erreichbare Laufzeit- und damit Entfernungsauflösung durch die Größenordnung der verwendeten Wellenlängen beschränkt, die üblicherweise im Bereich von einigen Millimetern liegen.

Um diese Beschränkung zu vermeiden und insbesondere auch auf Banknoten aufgeklebte Klebestreifen mit einer Dicke von 20 bis 200 Mikrometer erkennen zu können, werden deshalb vorzugsweise frequenzmodulierte Chirp-Signale eingesetzt und zur Auswertung ein Pulskompressionsverfahren eingesetzt. Wie es beispielsweise in der DE 42 24 035 A1 beschrieben ist, lassen sich durch eine Kreuzkorrelationsbildung der zugehörigen frequenzmodulierten Sende- und Empfangssignale deutlich höhere Auflösungen erzielen, da in diesem Fall die Auflösung nicht von der Dauer bzw. Wellenlänge der Schallimpulse, sondern nur von der Breite des Peaks der Kreuzkorrelationsfunktion abhängig ist.

Da diese Art der Berechnung und Auswertung der Korrelationsfunktion der gemessenen Signalkurven von Sende- und Empfangssignal allerdings sehr rechenaufwendig ist, kann dieses Verfahren nur dann zur automatischen Prüfung von z.B. üblicherweise 10 bis 30 Banknoten pro Sekunde in zugehörigen Bearbeitungsvorrichtungen eingesetzt werden, wenn ausreichend Rechenkapazität zur Verfügung steht.

Zur Lösung dieses Problems werden deshalb zwei alternative Meß- und Auswertungsverfahren vorgeschlagen, die mit weniger Rechenaufwand und deshalb auch einfacher bei der Banknotenbearbeitung in Echtzeit durchführbar sind.

Eine erste Idee besteht darin, die Auswertung bei der Verwendung von frequenzmodulierten Pulsen, d.h. von Chirp-Signalen, zu vereinfachen, indem nicht eine Kurve der Sende- und Empfangssignale aufgenommen und daraus eine Kreuzkorrelationsfunktion gebildet wird, sondern die Auswertung auf der Basis der Bestimmung der Nullstellen der gemessenen Signale erfolgt. Dies bedeutet, daß nicht eine Auswertung des gesamten Amplitudenverlaufs von Sende- und Empfangssignal notwendig ist, sondern lediglich die Nulldurchgänge der Signalamplituden bestimmt und diese miteinander verglichen werden.

Ein weiterer Ansatz, der zusätzlich oder alternativ auch angewendet werden kann, ist der einer Abstandsmessung durch Bestimmung der relativen Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal bei Verwendung von mono- oder multifrequenten Bursts.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen bei monofrequenten Pulsen die Laufzeit des Maximums der Pulspakete bestimmt wird, wird durch die Phasenauswertung eine relative Phasenverschiebung meßbar, die kleiner als eine Wellenlänge der verwendeten Ultraschallsignale ist. Das heißt bei einer Wellenlänge von beispielsweise 1,4 mm können relative Veränderungen der Laufzeit bzw. der zugehörigen Entfernung in einem Bereich bestimmt werden, die maximal dieser Wellenlänge entspricht.

Eine signifikante Verbesserung der Laufzeitmessung und Erweiterung des Meßbereiches läßt sich erreichen, wenn kein monofrequenter Burst, sondern ein multifrequenter Burst verwendet wird, d.h. ein Pulspaket mit einer Überlagerung zweier oder mehrerer unterschiedlicher Frequenzen.

Bei monofrequenten Signalen läßt sich die Phasendifferenz durch einfache Quadraturdemodulation ermitteln. Bei einem multifrequenten Burst, beispielsweise mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f₁ und f₂, die in einem Burst überlagert sind, kann die Phasendifferenz durch Quadraturdemodulation festgestellt werden, indem zunächst für das Sende- und das Echosignal die Phasen φ₁ und φ₂ bezüglich der jeweiligen Phase des Lokaloszillators mit den zugehörigen Frequenzen f₁ bzw. f₂ bestimmt und aus der Phasendifferenz zwischen Sende- und Empfangsburst dann die Laufzeit des Burst ermittelt wird.

Mit dieser Methode können Auflösungen im Bereich von etwa einer 1000stel Wellenlänge erreicht und zudem der Meßbereich über den Bereich einer Wellenlänge hinaus erweitert werden.

Es sei betont, daß die vorstehend und alle anderen in den Unteransprüchen und der Beschreibung genannten bevorzugten Ausgestaltungen auch unabhängig voneinander und vom Gegenstand der Hauptansprüche mit Vorteil angewendet werden können. So lassen sich z.B. die beschriebenen Varianten zur Laufzeitmessung prinzipiell auch in anderem Zusammenhang als zur der Messung der Dicke von Blattgut einsetzten.

Die vorgenannten Ideen und weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die
1 eine schematische Ansicht von der Seite auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von Blattgut nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Ansicht von hinten auf einen Teil der Vorrichtung nach 1;
3 sechs verschiedene Varianten für unterschiedliche Signalformen für Ultraschallsignale zur Verwendung bei der Vorrichtung nach den 1 und 2;
4 eine Darstellung eines frequenzmodulierten Sendesignales zur Verwendung bei der Vorrichtung nach den 1 und 2;
5 ein zum Sendesignal der 4 zugehöriges Empfangssignal;
6 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Auswertung der Signale von 4 und 5;
7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Laufzeitmessung mittels einer Phasenmessung bei monofrequentem Burst;
8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Laufzeitmessung mittels einer Phasenmessung bei einem Doubleburst;
9 eine schematische Darstellung eines Quadraturdemodulators, der verwendet wird, um die Laufzeit bei einem Doubleburst zu bestimmen; und
10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Bestimmung der absoluten Entfernung vom Sender zum zu messenden Objekt.
1 zeigt in schematischer Ansicht von der Seite einen Teil einer Vorrichtung 1 zur Bearbeitung von Banknoten BN. Die Vorrichtung 1 kann dabei in bekannter Weise so ausgestaltet sein, daß nach einer Vereinzelung die zu prüfenden Banknoten BN einzeln an einem oder mehreren Sensoren zur Prüfung der Echtheit und/ oder des Zustands der Banknoten BN in Richtung T vorbeitransportiert werden. Im speziellen umfaßt die Vorrichtung 1 dabei einen Dickensensor 2. Dieser weist zwei gegenüberstehende Ultraschallwandler 4, 5 auf, die senkrecht zur Transportebene der Banknoten BN angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Auswertungseinrichtung 6 verbunden sind, in welcher die Daten der Wandler 4, 5 zur Dickenbestimmung ausgewertet werden.
Die beiden Ultraschallwandler 4, 5 arbeiten dabei sowohl als Sender, als auch als Empfänger von Ultraschallsignalen. Zur Messung der Dicke einer zwischen den beiden Ultraschallwandlern 4, 5 in Richtung T vorbeitransportierten Banknote BN werden beide Wandler 4, 5 Ultraschallimpulse S senkrecht auf die zu messende Banknote BN aussenden und nachfolgend jeweils die zugehörigen von der Banknote BN reflektierten Ultraschallimpulse E erfassen.
Durch Messung der Laufzeit der Ultraschallimpulse von der Aussendung durch die Ultraschallwandler 4, 5 bis zum Empfang der reflektierten Schallimpulse durch denselben Wandler 4, 5 kann der Abstand der Wandler 4, 5 zur zu messenden Banknote BN bestimmt werden. Wenn in analoger Weise auch der Abstand der beiden Wandler 4, 5 voneinander in Lücken zwischen zwei in Richtung T transportierten Banknoten BN gemessen wird, kann aufgrund dieser Meßergebnisse die Dicke D der Banknote BN bestimmt werden.
Indem Unterschiede zur tatsächlich zu erwartenden Dicke D einer Banknote BN festgestellt werden, können hierdurch Fehlstellen, wie z.B. Löcher im Banknotenpapier, auf dem Papier aufgebrachte Klebestreifen 3 oder auch Doppel- bzw. Mehrfachabzüge von überlappenden Banknoten BN erkannt werden.
Obwohl nicht darauf beschränkt, wird die Dickenmessung der einzelnen Banknoten BN dabei ortsaufgelöst an mehreren unterschiedlichen Stellen der Banknotenfläche erfolgen.
Hierzu können die beiden Ultraschallwandler 4, 5 bevorzugt jeweils als Array von einzelnen Ultraschallwandlerelementen ausgebildet sein, die sich quer zur Transportrichtung erstrecken. In der 2, die eine Ansicht in Transportrichtung T darstellt, ist exemplarisch der Fall abgebildet, daß die Ultraschallwandler 4, 5 jeweils aus einer Aneinanderreihung von sieben einzelnen Ultraschallwandlerelementen bestehen, welche jeweils Ultraschallimpulse aussenden und empfangen können. Selbstverständlich kann der Ultraschallwandler auch eine kleinere oder größere Zahl von einzelnen Ultraschallwandlerelementen in Abhängigkeit von der gewünschten Ortsauflösung enthalten, die zudem nicht zwingend in einer Reihe, sondern gegebenenfalls auch versetzt zueinander angeordnet sein können.
Der Dickensensor 2 ist dadurch ausgezeichnet, daß die einander gegenüberstehenden Ultraschallwandlerelemente 4, 5 die zu prüfende Banknote BN mit Ultraschallsignalen unterschiedlicher Signalform bestrahlen. Der Unterschied in der Signalform kann insbesondere darin bestehen, daß die Wandler 4, 5 Schallimpulse mit einer unterschiedlichen Frequenz bzw. unterschiedlichen Frequenzen oder einer unterschiedlichen zeitlichen Änderung der Frequenz bzw. Frequenzen innerhalb eines ausgesendeten Impulspaketes aufweisen.
In der 3 sind grafisch verschiedene Varianten für die Änderung der Frequenz f mit der Zeit t innerhalb eines Pulspaketes dargestellt. Die 3a und b zeigen dabei einen linear ansteigenden bzw. abfallenden Frequenzverlauf entsprechend eines sogenannten linearen Chirps, 3c und d jeweils analoge nichtlineare Chirps und die 3e und f andere Möglichkeiten für einen nichtlinearen Frequenzverlauf. Es sei angemerkt, daß für die Auswahl der unterschiedlichen Signalformen lediglich wesentlich ist, daß die Signale möglichst geringfügig korrelieren, so daß sich bei einer Messung von den gegenüberliegenden Wandlern 4, 5 ausgehende Ultraschallsignale eindeutig auch in einem überlagerten Zustand unterscheiden lassen.
Vorzugsweise werden die unterschiedlichen Signalformen so gewählt, daß ihre jeweiligen Autokorrelationsfunktionen signifikante Maxima aufweisen, während die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden unterschiedlichen Signale kein solches Maximum aufweist.
Diese Vorgehensweise hat den deutlichen Vorteil, daß sich auch die Dicke des Blattguts BN in seinen Randbereichen R eindeutig bestimmen läßt. So auch in dem in der 2 abgebildeten Fall, bei dem beim äußersten linken Schallwandlerpaar die vorbeitransportierte Banknote BN den Meßkanal der beiden gegenüberliegenden Wandlerelemente nur teilweise abdeckt, so daß das in den jeweiligen Wandlerelementen erfaßte Signal zum Teil von Ultraschallsignalanteilen herrührt, die von der Banknote BN reflektiert wurden, während der andere Teil von Signalen stammt, die von dem gegenüberliegenden Wandlerelement ausgestrahlt wurden und am Rand R der Banknote BN vorbeigelaufen sind.
Bei Verwendung von Ultraschallimpulsen mit gleicher Frequenz für beide Wandler 4, 5 wäre in diesem Fall eine Dickenbestimmung des Randbereiches R der Banknote BN nur bedingt oder nicht möglich, da die Anteile in den empfangenen Signalen, die von der Banknote BN reflektiert werden und diejenigen, die direkt von dem gegenüberliegenden Wandler 4, 5 am Rand R der Banknote BN vorbeilaufend empfangen wurden, kaum auseinander gehalten werden könnten.
Indem für gegenüberliegende Wandler 4, 5 allerdings unterschiedliche Signalformen mit minimalem Korrelationsgrad verwendet werden, ist eine eindeutige Unterscheidung der Signalanteile möglich.
Als Alternative zur erfindungsgemäßen Verwendung von Signalen mit unterschiedlicher Signalform ist allerdings als weitere Idee der vorliegenden Erfindung auch denkbar, daß die gegenüberliegenden Wandlerelemente 4, 5 nicht wie üblich etwa gleich großen Abstand, sondern einen unterschiedlich großen Abstand zur Meßebene haben, in der sich die zu prüfenden vorbeitransportierten Banknoten BN befinden. In diesem Fall ist auch bei gleichen Signalformen aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit von reflektiertem bzw. durchgehendem Schall des gegenüberliegenden Wandlers eine eindeutige Unterscheidung der Signalanteile möglich.
Das Ausführungsbeispiel nach der 2 ist zudem dadurch ausgezeichnet, daß gemäß einer weiteren Idee der vorliegenden Erfindung nicht nur gegenüberliegende, sondern auch benachbarte Wandlerelemente eines jeweiligen Schallwandlers 4, 5 Ultraschallsignale unterschiedlicher Signalform aussenden. Im exemplarisch dargestellten Fall senden die einzelnen Elemente der Ultraschallwandler 4, 5 vier unterschiedliche Signalformen aus, die mit den Bezugszeichen „a" bis „d" gekennzeichnet sind. Im abgebildeten Fall sendet also beispielsweise das obere linke Wandlerelement ein Signal der Form „a" und das untere linke Wandlerelement ein Signal der Form „c" aus. Wie bereits erwähnt wurde, kann die unterschiedliche Signalform z.B. in der Verwendung unterschiedlicher Frequenzen oder unterschiedlicher Frequenzveränderungen bestehen.
Hierdurch ist z.B. auch bei etwa gleichzeitiger Aussendung von Ultraschallsignalen aller Elemente eines einzelnen Ultraschallwandlers 4 bzw. 5 verhindert, daß die erfaßten Signale aufgrund von Störsignalen, die von benachbarten Meßspuren stammen, überlagert werden, ohne daß eine eindeutige Trennung der einzelnen Anteile möglich wäre.
Wie bereits erwähnt wurde, besteht eine Möglichkeit zur Bestimmung der Laufzeit der Ultraschallsignale in der Anwendung des Prinzips der Pulskompression, bei dem eine Kreuzkorrelation von frequenzmoduliertem Chirp-Sendesignal S und dem zugehörigen an dem zu prüfenden Blattgut BN reflektierten Empfangssignal E durchgeführt wird. Die Entfernungsauflösung hängt in diesem Fall von der Breite des Peaks des daraus resultierenden Korrelationssignales ab. Dadurch kann die Reichweite und die Auflösung des Verfahrens im Vergleich zur Verwendung monofrequenter Ultraschallsignale durch das verbesserte Signal- zu Rauschverhältnis signifikant erhöht werden. Die Breite der Kreuzkorrelationsfunktion ist dabei im speziellen auch abhängig von der Länge des Signals und insbesondere vom Frequenzbereich des frequenzmodulierten Signals.
Um allerdings die rechenintensive Bestimmung einer Kreuzkorrelationsfunktion zu vermeiden, lassen sich nach weiteren unabhängigen Ideen der vorliegenden Erfindung alternativ oder zusätzlich auch folgende Auswerteverfahren anwenden.
Zum einen kann bei der Aussendung von codierten, z.B. frequenzmodulierten Chirp-Signalen die Auswertung dadurch signifikant vereinfacht werden, daß nur die Nullstellen der Chirp-Signale vom Sende- und Empfangspulspaket ausgewertet werden. In der 4 ist exemplarisch der zeitliche Verlauf eines frequenzmodulierten Ultraschallsignals S dargestellt, das von einem der Ultraschallwandler 4, 5 ausgesendet wird. In der 5 ist das zugehörige Empfangssignal E abgebildet, das nach Reflektion an der zu messenden Banknote BN vom selben Ultraschallwandler 4 bzw. 5, der das Sendesignal S der 4 ausgesendet hat, wieder empfangen wird. Wie an den Angaben der Datenpunkte der Abzisse (Zeitachse) der Darstellungen zu erkennen ist, liegt der Sendeimpuls im wesentlich in einem Bereich von 3000 bis 3200 und der Empfangsimpuls zeitlich beabstandet in einem Bereich von 3550 bis 3800.
Die Abtastpunkte sind in der Darstellung der 4 und 5 jeweils als Punkte P im Kurvenverlauf hervorgehoben. Anhand dieser Datenmenge werden anschließend die Nullstellen, d.h. die Schnittpunkte mit der Abzisse, von Sende- und Empfangssignal S bzw. E bestimmt.
Nachfolgend wird rechnerisch ermittelt, welcher Zeitversatz zwischen den beiden Signalkurven S und E angenommen werden muß, damit der Unterschied zwischen zugehörigen Punkten im Sende- und Empfangssignal insgesamt minimiert wird. So kann nach einer Variante beispielsweise geprüft werden, wie groß die Summe aller Abstände der einzelnen Nullpunkte des Sendesignals S zu einem jeweils nächstliegenden Nullpunkt im Empfangssignal E bei gegebener angenommener Laufzeit liegt. Ist die Summe aller so berechneten Differenzen minimal, so kann der zugehörige Wert der Laufzeit als Maß für die tatsächliche Laufzeit des gemessenen Signals genommen werden. Die 6 zeigt eine zugehörige Darstellung unter Verwendung der Signale 4 und 5, bei der die vorgenannte Summe der Differenzen von benachbarten Nullpunkten des Sende- und Empfangssignals S bzw. E minimal ist.
Da somit bei diesem Verfahren nicht nur der zeitliche Abstand der Aussendung im Vergleich zum Empfang des Maximums vom Sende- und Empfangsimpuls, sondern die zugehörigen Abstände einer Mehrzahl von Nullstellen des Sendeimpulses im Vergleich zu den zugehörigen Nullstellen des Empfangsimpulses bestimmt wird, kann die Meßgenauigkeit der Laufzeitmessung wesentlich im Vergleich zur Verwendung von monofrequenten Signalen erhöht werden.
Das beschriebene Verfahren mit Nullstellenbetrachtung setzt allerdings die Verwendung von frequenzmodulierten Sende- bzw. Empfangssignalen voraus. Wenn andererseits Burst-Signale, das heißt Pulspakete mit einer konstanten Frequenz oder mehreren unterschiedlichen konstanten Frequenzen eingesetzt werden, ist eine zweite Variante zur Auswertung von Sende- und Empfangssignalen von größerem Vorteil, bei der die Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen bestimmt wird.
In der 7 ist zur besseren Veranschaulichung dieses Prinzips ein Teilbereich der Größe von etwa einer Wellenlänge eines Ultraschallsignals zu zwei verschiedenen Meßzeitpunkten dargestellt. Die Kurven E1 und E2 zeigen im speziellen einen Ausschnitt aus dem Empfangssignal E zu zwei verschiedenen Meßzeitpunkten t1 und t2. Die dargestellte Phasenverschiebung Δp wird dabei gemessen als ein Maß für den Unterschied in der Laufzeit zu den Zeitpunkten t1 und t2. Bei monofrequenten Signalen, wie z.B. gemäß 7, läßt sich die Phasendifferenz aus Sende- und Empfangssignal durch Quadraturdemodulation ermitteln. Diese Unterschiede können z.B. aufgrund einer variierenden Dicke der zu prüfenden Banknote BN, z.B. bei Vorhandensein von Klebestreifen 3 auf bestimmten Bereichen der Banknote BN, oder auch aufgrund von schwankenden Abständen der zugehörigen Wandler 4, 5 zu der zu prüfenden Banknote BN resultieren. Indem hierbei eine zu prüfende Banknote BN beidseitig beschallt und beidseitig gemessen wird, lassen sich diese beiden Fälle eindeutig unterscheiden.
Es wird also nach dieser Variante folglich nicht nur die Amplitude, sondern die Phasenverschiebung erfaßt. Durch die Erfassung der zugehörigen Phasenverschiebungen im zeitlichen Verlauf des Signals sind also Auflösungen im Bereich kleiner einer einzelnen Wellenlänge des Signals möglich. Bei den üblicherweise verwendeten Wellenlängen der Ultraschallsignale in der Größenordnung von einem Millimeter sind also durch die Messung der Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal relative Abstandsänderungen innerhalb dieser Größenordnung von einem Millimeter möglich.
Da beispielsweise die üblichen Dicken von Klebestreifen 3 kleiner als diese Wellenlänge von etwa einem Millimeter sind, eignet sich dieses Prinzip der Phasenauswertung besonders zur Bestimmung der Dicke von Banknoten oder anderem dünnen Blattgut und insbesondere zur Erkennung von Klebestreifen auf dem Blattgut.
Nach einer weiteren unabhängigen Idee der vorliegenden Erfindung kann der Meßbereich im Vergleich zur vorgenannten Phasenmessung mit monofrequentem Burst noch durch die Überlagerung zweier oder mehr unterschiedlicher Frequenzen in einem Burst erweitert werden.
Dies wird durch die schematische Darstellung der 8 für einen Doubleburst mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f₁, f₂ mit Wellenlängen λ₁ bzw. λ₂ verdeutlicht. Es sei das Frequenzverhältnis der Frequenzen in einem Doubleburst
und m_max/n_max teilerfremd gewählt, so wiederholt sich die gleiche Phase für beide Frequenzen nach der Periode: m_maxλ₁ = n_maxλ₂. Realistische Werte sind z.B. m_max= 6, n_max = 7 für λ₁ > λ₂ und ein überstrichener Bereich, d.h. maximaler Meßbereich von 9 mm. In der 8 ist exemplarisch der Fall n_max = 5, m_max = 2 veranschaulicht. Innerhalb des durch die senkrechten durchgehenden Linien gekennzeichneten Bereichs kann also eine eindeutige Interpretation einer Messung des Phasenunterschieds gemacht werden, die exemplarisch durch die senkrechte gestrichelt dargestellte Linie veranschaulicht ist.
Zur Bestimmung der Laufzeit eines solchen Doubleburstsignals werden für das Sende- und das reflektierte Echosignal die jeweiligen Phasen φ₁ und φ₂ bezüglich des jeweiligen Lokaloszilators ω₁ = 2πf₁ und ω₂ = 2πf₂ bestimmt. Im speziellen kann die relative Phasendifferenz in diesem Fall mit Hilfe eines Quadraturdemodulators 10 bestimmt werden, dessen Schaltbild vereinfacht in der 9 dargestellt ist. Der empfangene Doppelburst 11 wird mit den beiden Signalen sin(ω₁ t) bzw. sin(ω2 t) in 0° und 90° Phasenlage gemischt und anschließend in einem Tiefpaß gefiltert. Aus den beiden Quadratursignalen kann dann der Phasenwinkel relativ zum Mischerreferenzsignal bestimmt werden. Aus der Phasendifferenz zwischen Sende- und Empfangsburst kann dann die Laufzeit des Burst ermittelt werden.
Wie im Bezug auf die 8 erläutert, ist die Messung der Laufzeit aufgrund der relativen Phasendifferenz nur in dem dargestellten Bereich eindeutig, bis sich das Frequenzmuster der überlagerten zwei oder mehr Frequenzen wiederholt. Im Falle eines monofrequenten Burst mit einer einzigen Frequenz entspricht dieser Bereich, wie vorstehend erwähnt wurde, natürlich einer einzigen Wellenlänge.
Zur Bestimmung der absoluten Entfernung von Sender zur zu messenden Banknote BN wird deshalb die Laufzeit bis zu Beginn des tatsächlich auszuwertenden Burst ermittelt und der Empfangsburst an dieser Stelle herausgeschnitten. Ab diesem Schnitt, darf die restliche Echodistanz die Entfernung m_maxλ₁ = n_maxλ₂ der beiden Wellenlängen nicht überschreiten, wobei m_maxλ₁ dem maximal möglichen Meßbereich zur Phasenbestimmung entspricht, wie es in Bezug auf die 8 beschrieben wurde. Die Laufzeit bis zum Beginn des Bursts wird daher in diese Blöcke der Größe m_maxλ₁ aufgeteilt. Bei der exemplarischen Darstellung der 10 entspricht dies z.B. 5 Blöcken von jeweils beispielsweise 9 mm. Die Anzahl der Blöcke läßt sich leicht abschätzen und entspricht z.B. in etwa der durchschnittlichen Entfernung einer zumessenden Banknote BN vom Ultraschallwandler 4, 5. Wenn also die restliche Echodistanz kleiner als ein solcher Block der Größe m_maxλ₁ ist, läßt sich auf einfachem Wege die restliche Entfernung m λ1 + Δφ1 λ1/2π und damit die gesamte Weglänge bzw. Laufzeit bestimmen.
Es sei betont, daß zur Phasenauswertung anstelle des vorhergehend, insbesondere anhand von 9 beschriebenen bevorzugten Verfahrens natürlich auch andere, z.B. auch analoge Verfahren der Quadraturdemodulation eingesetzt werden können. Die Grundlagen solcher Quadraturdemodulationsverfahren sind hinreichend bekannt und z.B. im Lehrbuch Tietze, Schenk: „Halbleiter-Schaltungstechnik" ISBN 3-540-42849-6, Springer Verlag, 2002, Kapitel 24.4 (Modulationsverfahren) näher erläutert und beschrieben.
Die vorstehend genannten Verfahren der Auswertung von Chirp-Signalen mittels Nullstellenbestimmung bzw. der Phasenauswertung von Burst-Signalen haben den Vorteil, eine schnelle Datenanalyse zu erlauben, die sich als sehr präzise, reproduzierbar und zuverlässig herausgestellt hat.
Neben den vorstehend genannten Varianten sind noch weitere Ausgestaltungen oder Alternativen denkbar.
Prinzipiell hat die aufgrund flatternder Banknoten auftretende Dopplerverschiebung der Signale einen unerwünschten Einfluß auf die Meßergebnisse. Der zugehörige Phasenfehler durch die Dopplerverschiebung kompensiert sich durch eine beidseitige Messung in erster Ordnung. Aus diesem Grund ist die beidseitige Messung auf jeden Fall zu bevorzugen.
Weiterhin sei betont, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Messung der Dicke D des seitlichen Randes R einer Banknote BN verwendet werden kann, wie es in Bezug auf die 2 exemplarisch beschrieben wurde. Es ist auch möglich, auf analoge Weise die Dicke der Vorderkante bzw. Rückkante einer in Transportrichtung T transportierten Banknote BN zu bestimmen.
Ferner kann beispielsweise zur Bestimmung der Korrelation von Sende- und Empfangssignal bei dem zugehörigen Auswerteverfahren ein digitaler Filter eingesetzt werden, der die Übertragungscharakteristik der Meßanordnung simuliert. Das bedeutet, daß der digitale Filter aus einem gegebenen Eingangsimpuls einen Ausgangsimpuls erzeugt, der in etwa dem bei einer gegebenen Vorrichtung tatsächlich gemessenen Empfangssignal nach Reflektion an dem zu testenden Blattgut entspricht. Die Filterkoeffizienten lassen sich dabei bevorzugt aus der Chirpantwort im Selbsttest bestimmen.
Zudem wird der Ultraschallwandler vorzugsweise aktiv oder passiv bedämpft. Dies führt dazu, daß die Totzeit des Wandlers, d.h. die Zeit, die vergeht, bis der Wandler nach dem Sendeimpuls ausgeschwungen ist und wieder bereit ist, das Empfangssignal zu detektieren, minimiert und somit eine hohe Abtastfrequenz, d.h. Wiederholrate des Meßsystems ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung erlaubt somit auf einfache und sichere Weise eine Bestimmung der Dicke von Blattgut auch an dessen Randbereichen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Dicke (D) von Blattgut (BN), insbesondere von Banknoten (BN), mit den Schritten: – Transport des Blattguts (BN) entlang einer Transportstrecke, – Bestrahlen des Blattguts (BN) mit einem Ultraschallsignal (S), – Messen der Laufzeit des von dem Blattgut (BN) reflektierten Ultraschallsignals (E), – Bestimmung der Dicke (D) des Blattguts (BN) aufgrund der Laufzeit des von dem Blattgut (BN) reflektierten Ultraschallsignals (S, E), dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Blattgut (BN) von zwei gegenüberliegenden Seiten her mit Ultraschallsignalen (S) unterschiedlicher Signalform (a, b, c, d) bestrahlt wird, um die Dicke (D) des Randes (R) des Blattguts (BN) bestimmen zu können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallsignale (S) verwendet werden, die unterschiedlich codiert sind, also z.B. ein unterschiedliches Frequenzverhalten und/oder eine unterschiedliche Amplitudenform aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsignale (S) frequenzmodulierte Chirpsignale oder Pulspakete mit einer einzelnen Frequenz oder Pulspakete mit der Überlagerung mehrerer unterschiedlicher Frequenzen sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Laufzeit die Nullstellen des zeitlichen Verlaufs der gesendeten und der von dem Blattgut (BN) reflektierten Ultraschallsignale (S, E) bestimmt und miteinander verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Laufzeit eine Phasenverschiebung (Δp) von Sende- zum Empfangssignal (E1, E2) bestimmt wird.
Vorrichtung (1) zur Bearbeitung von Blattgut (BN), insbesondere von Banknoten (BN), mit – zumindest einem Sender (4, 5), welcher das zu prüfende Blattgut (BN) mit Ultraschallsignalen (S) bestrahlt und – zumindest einem Empfänger (4, 5), welcher von dem Blattgut (BN) reflektierte Ultraschallsignale (E) empfängt, – einer Transporteinrichtung zum Transport des Blattguts (BN) entlang einer Transportstrecke an dem Sender (4, 5) und Empfänger (4, 5) vorbei, und – eine mit dem Sender (4, 5) und dem Empfänger (4, 5) verbundene Auswertungseinrichtung (6) zur Bestimmung der Dicke (D) des Blattguts (BN), aufgrund der gemessenen Laufzeit des von dem Blattgut (BN) reflektierten Ultraschallsignals (S, E), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Sender (4, 5) auf gegenüberliegenden Seiten des Transportweges angeordnet sind und die beiden gegenüberliegenden Sender (4, 5) Ultraschallsignale (S) mit unterschiedlicher Signalform (a, b, c, d) aussenden, um die Dicke (D) des Randes (R) des Blattguts (BN) bestimmen zu können.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallwandler (4, 5) sowohl als Sender (4, 5) als auch Empfänger (4, 5) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich zumindest auf einer der beiden Seiten mehrere Sender (4, 5) befinden, wobei benachbarte Sender (4, 5) Ultraschallsignale (S) unterschiedlicher Signalform (a, b, c, d) aussenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf gegenüberliegenden Seiten des Transportweges angeordneten Sender (4, 5) einen gleich großen oder einen unterschiedlich großen Abstand zum Transportweg der zu prüfenden Banknoten (BN) haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender und Empfänger (4, 5) vorzugsweise aktiv oder passiv bedämpft werden.
Dickensensor (2) zur Verwendung in einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dickensensor zwei auf gegenüberliegenden Seiten angeordneten Sender (4, 5) zur Bestrahlung eines dazwischen befindlichen zu prüfenden Blattguts (BN) mit Ultraschallsignalen (S) aufweist, wobei die gegenüberliegenden Sender (4, 5) Ultraschallsignale (S) mit unterschiedlicher Signalform (a, b, c, d) aussenden.