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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Lastmessvorrichtung, die verwendet
wird, um eine Last zu messen, die auf ein elastisch verformbares
Bauteil wirkt. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung sowie auf ein Verfahren
zum Steuern eines Barring-Phänomens bei Walzen mittels
der Vorrichtung.
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Die
Messung einer Last, die zum Beispiel auf ein Maschinenelement oder
andere mechanisch belastete Teile oder Elemente wirkt, ist eine
wertvolle Information in verschiedenen Technologiefeldern und kann
für verschiedene Steuerungen verwendet werden.
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Eine übliche
Anwendung einer Lastmessung ist bei der Papierherstellung, Kartonherstellung,
Veredelung, bei Druckvorgängen und bei anderen Bahnherstellungen
oder Bahnbearbeitungen von Papier, Karton, auf Papier basierenden
Materialien, synthetischen Materialien oder Textilmaterialien. Auf
diesem Anwendungsgebiet werden Walzen weitgehend verwendet, die üblicherweise
paarweise angeordnet sind, die sich in einem belasteten Presskontakt
befinden, um einen Walzenspalt zu bilden. Die Zustände in
einem Walzenspalt werden eingestellt, um einen bestimmten Effekt
bei dem Bahnmaterial zu erhalten, das durch den Walzenspalt hindurchtritt.
Ein wichtiger Zustand in einem Walzenspalt ist die Walzenspaltlast
in dem Walzenspalt, d. h. die Messung der tatsächlichen
Last, die von einer Walze auf die andere aufgebracht wird, ist eine
wichtige technische Information, die für verschiedene Steuerungszwecke verwendet
werden kann.
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Es
gibt verschiedenen Stand der Technik bezüglich der Messung
der Last in einem Walzenspalt. Zum Beispiel beschreibt
US 5 383 371 eine Lastmessung in einem
Walzenspalt zwischen zwei Walzen mittels einer Walze, die mit Detektoren
versehen ist, die aus einem piezoelektrischen Film aus PVDF hergestellt
sind, der an beiden Seiten mit Metall beschichtet ist. Die Verformung
des piezoelektrischen Materials erzeugt eine Spannung, die den Druck
anzeigt, der auf den Film aus PVDF wirkt.
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US 5 562 027 erwähnt
und diskutiert des Weiteren die Verwendung von piezoresistiven Sensoren,
Dehnungsmessstreifen oder Glasfasersensoren. Piezoresistive Materialien
verändern ihren elektrischen Widerstand in Erwiderung auf
einen Druck, der auf das Material aufgebracht wird, wodurch ein elektrisches
Signal erzeugt wird, das den Druck anzeigt, der auf das Material
wirkt. Wenn Dehnungsmesssensoren verwendet werden, wird eine indirekte Messung
des Radialdrucks erhalten; dieses Signal erfordert eine zusätzliche
Auswertung. Glasfasersensoren können in verschiedenen Ausrichtungen
verwendet werden und die Verformung in axialer Richtung der Faser
steht in Erwiderung auf den Druck. Die Lichtwellen, die durch die
Glasfaser hindurchtreten, sind Reflexion und Deflexion ausgesetzt,
die einen Hinweis auf den Druck durch die Verwendung von einer Messung
mittels Time Domain Reflectometry bereitstellen können.
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WO 2004/102141 beschreibt
einen Sensor, der aus einem magnetisierten Leiter besteht, der zum Beispiel
einen nichtmagnetischen Kupferleiter aufweist, der mit einer magnetischen
Schicht beschichtet ist, die elektrochemisch aufgebracht werden
kann. Dieser Sensor erzeugt ein elektrisches Signal, das zu dem
Druck korrespondiert, der auf den Sensor wirkt.
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Jedoch
haben die Sensoren von jeder der vorstehenden Arten individuelle
Nachteile, wie zum Beispiel grobe Signalauflösung und reduzierte
Genauigkeit, Schwierigkeiten bei der Anbringung an den Messstellen,
eine begrenzte Haltbarkeit oder, letztlich, hohe Kosten.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lastmessvorrichtung bereitzustellen,
die langlebig und kostengünstig ist und einfach an einer
Messstelle angebracht werden kann.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren
für die Messvorrichtung gemäß der Erfindung
bereitzustellen.
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Außerdem
ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Messen einer
Barring-Phänomen-Steuerung in einem Walzenspalt einer Maschine
bereitzustellen, die die Messvorrichtung gemäß der
Erfindung verwendet.
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Diese
Aufgaben werden mit einer Messvorrichtung gemäß Anspruch
1, einem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch
23 und einem Verfahren zur Steuerung eines Barring-Phänomens
gemäß Anspruch 30 und einer Verwendung der Lasterfassungsvorrichtung
gemäß Anspruch 32 jeweils gelöst.
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Bezogen
auf die Vorrichtung zum Messen einer Last gemäß der
Erfindung hat diese Vorrichtung einen Abstandssensor zum Messen
einer Längenänderung in Erwiderung auf eine Verformung
eines verformbaren Bauteils, wenn die zu messende Last aufgebracht
wird, um dieses Bauteil zu verformen. In einer Lösung ist
der Abstandssensor zum Messen der Veränderung einer Länge
aufgrund der Verformung angepasst, wobei sich die Länge
in eine Richtung erstreckt, die mit der Lastrichtung übereinstimmt.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung hat
der Abstandssensor ein Messelement und ein zugehöriges
Referenzelement. Die Anordnung kann derart ausgebildet sein, dass
zumindest ein Abschnitt eines elastisch verformbaren Bauteils zwischen
dem Messelement und dem Referenzelement angeordnet ist, und die
gemessene Veränderung der Länge die Veränderung
des Abstands zwischen dem Messelement und dem Referenzelement ist.
Bevorzugt sind in dieser Anordnung das Messelement und das Referenzelement
in einer Lastrichtung gegenüberliegend zueinander angeordnet.
Es ist anzumerken, dass auch das elastisch verformbare Bauteil durch
die Last in einer Richtung verformt werden kann und das Messelement
und das Referenzelement in einer Richtung angeordnet sind, die von
der Lastrichtung verschieden ist, so dass eine sekundäre
Verformung des elastisch verformbaren Bauteils gemessen wird, wobei
diese Verformung eine andere Richtung als die Last aufweist. Dieser Wert
kann auch als Hinweis auf die Last verwendet werden, die in Lastrichtung
aufgebracht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung gemäß der
Erfindung ist das Messelement ein Wirbelstromsensor mit einem spiralförmig
angeordneten Leiter und ist das Referenzelement ein Metallelement.
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In
einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist bei
der Messvorrichtung das elastisch verformbare Bauteil ein Maschinenteil
einer Maschine, die bei der Herstellung von Papier, Karton oder anderen
Bahnerzeugnissen verwendet wird, so dass die Messvorrichtung direkt
auf das jeweilige Maschinenelement aufgebracht werden kann. Bei
dieser Messvorrichtung kann das Referenzelement auch ein Maschinenteil
sein, das aus Metall der Maschine hergestellt ist, die bei der Herstellung
von Papier, Karton oder anderen Bahnerzeugnissen verwendet wird.
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Andererseits
kann die Erfindung auch mit dem Metallbauteil realisiert werden,
das zumindest eines von einem Film, Draht, Gitter und Netz ist,
die aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen elektrischen Leiter
hergestellt sind, der in dem elastisch verformbaren Bauteil eingebettet,
der auf eine Fläche dieses Bauteils aufgebracht, oder der
durch dieses Bauteil bedeckt sein kann. In diesen Fällen
kann das Messbauteil auf dieselbe Art und Weise in Bezug auf das
elastisch verformbare Bauteil angeordnet werden, so dass zumindest
ein Teil davon zwischen dem Messelement und dem Metallelement angeordnet
ist.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
gemäß der Erfindung kann eine Ausgestaltung verwendet
werden, bei der das elastisch verformbare Bauteil eine elastische
Walzenhülle ist, die aus einem harten (metallischen) Kernbauteil
einer Walze ausgebildet ist, und bei der zumindest eines von dem
Messelement und dem Referenzelement innerhalb der Hülle
vorgesehen ist.
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Bevorzugt
ist das Messelement in der Walzenhülle eingebettet und
ist das Referenzelement das metallische oder mit Metall beschichtete
Kernelement. Alternativ kann auch das Referenzelement in die Walzenhülle
eingebettet sein.
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Obwohl
ein besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung vorstehend
in Bezug auf die Walzen erläutert ist, kann die Messvorrichtung
der Erfindung auch bei einem Gurt angewendet werden, so dass das
elastisch verformbare Bauteil eine elastisch verformbare Gurthülle
bei zum Beispiel Papiermaschinen oder dergleichen ist, wie vorstehend
beschrieben ist. Ferner können/kann das Messelement und/oder
das Referenzelement in der Gurthülle eingebettet sein.
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Ferner
kann die Messvorrichtung bei einer Walze verwendet werden, die mit
einem Metallgurt paarweise angeordnet ist, wobei das Messelement
in einer elastisch verformbaren Walzenhülle eingebettet ist
und ein Abstand zwischen dem Messelement und dem Gurt gemessen wird.
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Es
gibt ein großes Gebiet von möglichen Anwendungen
der Erfindung. In einem bestimmten Gebiet der Anwendung kann die
Messvorrichtung derart angeordnet werden, dass eine Anordnung von
zumindest zwei Abstandssensoren verwendet wird, wobei die Sensoren
nacheinander in einer Erstreckungsrichtung des elastischen Bauteils
angeordnet sind, die nicht die Lastaufbringungsrichtung ist, so dass
Lastverteilungen mit der Vorrichtung gemessen werden können.
Bei speziellen Anwendungen der Erfindung bezogen auf Maschinen,
bei denen das elastische Bauteil derart beweglich ist, dass es sich
dreht und/oder eine lineare Bewegung ausführt, erstreckt sich
die Anordnung von Sensoren in einer Richtung entlang und/oder quer
zu der Bewegungsrichtung des elastischen Bauteils, so dass Lastverteilungen entlang
oder im Wesentlichen quer zu der Bewegungsrichtung des elastisch
verformbaren Bauteils gemessen werden können.
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In
einer möglichen Ausführungsform der Erfindung
ist das elastische Bauteil zylindrisch, um drehbar zu sein, und
umfasst eine Vielzahl von Sensoren, die nacheinander in der Umfangsrichtung
des elastischen Bauteils angeordnet sind, so dass zum Beispiel ein
Lastprofil entlang dem Umfang des zylindrischen Bauteils gemessen
werden kann oder das Lastprofil von Lasten, die auf den Umfang des
sich drehenden zylindrischen Bauteils aufgebracht werden, wenn es
einen stationären Kontaktpunkt durchschreitet, erhalten
werden kann. Zum Beispiel können die Sensoren in regelmäßigen
Abständen, die gleich oder größer als
0,1° sind, entlang dem Umfang des zylindrischen elastischen
Bauteils angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann
eine Vielzahl von Sensoren nacheinander in der axialen Richtung des
zylindrischen elastischen Bauteils angeordnet sein, so dass sich
ein Netz von Messpunkten über das zylindrische Bauteil
verteilt.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung kann die Messvorrichtung
zum Messen einer Last, die zwischen zwei Bauteilen wirkt, die gegeneinander
vorgespannt sind und zwischen denen ein elastisch verformbares Element
angeordnet ist, verwendet werden. Zum Beispiel sind die zwei Bauteile
zusammenwirkende Walzen, zumindest eine von denen ist mit einer
elastischen Hülle vorgesehen, wobei eine der Walzen das
Messelement aufweist und die andere Walze das Referenzelement aufweist.
Alternativ sind die beiden Bauteile eine Walze und ein zusammenwirkender
Gurt, wobei zumindest eine/einer davon mit einer elastischen Hülle
vorgesehen ist, wobei eine/einer von der Walze und dem Gurt das
Messelement trägt und die/der andere der Walze und des Gurts
das Referenzelement trägt oder ausbildet. Es ist klar,
dass sowohl das Referenzelement als auch das Messelement in ein
und demselben Bauteil vorgesehen werden können, d. h. in
einer Walze oder in einem Gurt.
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In
Betrieb der Messvorrichtung wird die Verformung der elastisch verformbaren
Walze, d. h. die elastische Hülle, aufgrund der Last, die
zwischen den zwei Bauteilen wirkt, verformt, so dass die Verformung
der elastischen Hülle und die daraus resultierende Veränderung
des Abstands zwischen dem Referenzelement an dem einen Bauteil und
dem Messelement an dem anderen Bauteil direkt die Last anzeigt,
die zwischen diesen beiden Bauteilen wirkt. Somit kann die tatsächlich
erfasste Last durch eine geeignete Berechnungseinrichtung berechnet
werden, die auch eine geeignete Anzeigeeinrichtung umfassen kann,
die angeordnet sein kann, um die gemessenen Werte anzuzeigen/zu überwachen/aufzuzeichnen.
Es ist anzumerken, dass es ausreichend sein kann, nur Relativwerte
anzuzeigen, zum Beispiel wenn die Lastverteilung entlang einer Walzenspaltbreite
(quer zu der Bewegungsrichtung des elastischen Bauteils) bei gewissen
Zuständen überwacht oder aufrechterhalten werden
soll.
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Bezogen
auf die Sensortechnologie kann bei einer Anordnung, die die Erfindung
anwendet und bei der eines der zusammenwirkenden zwei Bauteile,
die gegeneinander vorgespannt sind, das Referenzelement bildet,
eine einfache Struktur der Vorrichtung realisiert werden. Zum Beispiel
kann bereits der Metallkern einer Walze oder eines Gurts als Referenzelement
verwendet werden, so dass nur eines der zwei Bauteile angepasst
werden muss, um die Messvorrichtung zu bilden.
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Die
Erfindung schlägt des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung
der Lastmessvorrichtung gemäß der Erfindung vor,
die vorstehend im Detail beschrieben und erläutert wurde.
Dieses Verfahren weist den Schritt zum Ausbilden einer Kernschicht
eines elastischen Bauteils auf einer Stützstruktur, Bereitstellen
zumindest eines Messelements oder zumindest eines Referenzelements
auf der Fläche der Kernschicht des elastischen Bauteils,
und Ausbilden einer weiteren Schicht des elastischen Bauteils auf, um
das Messelement (die Messelemente) oder das Referenzelement (die
Referenzelemente) abzudecken.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel dieser Lösung
ist das Messelement in der Form eines gedruckten Wirbelstromsensors
vorgesehen, der auf einem Substrat eines Filmmaterials ausgebildet
ist, wobei das Substrat auf der Kernschicht des elastischen Bauteils
angeordnet ist. Da eine derartige Sensorkonstruktion sehr dünn
in Bezug auf die Vorspannrichtung hergestellt werden kann, und da
eine weitere elastische Schicht auf den Sensoren aufgebracht ist,
können eine Oberflächenglattheit und eine Gleichmäßigkeit
einer elastischen Verformung der elastischen Hülle abgeglichen
werden, so dass die Sensoren ein Abbrechen des elastischen Materials von
dessen Kern nicht verursachen. Es gibt verschiedene Sensortypen,
die bei diesem Verfahren anwendbar sind, eine sehr dünne
Lösung kann erreicht werden, wenn gedruckte Wirbelstromsensoren
verwendet werden, die auf der Kernschicht durch einen lithographischen
Prozess ausgebildet sind. Demgemäß bewirkt ein
Einbetten der Sensoren keine bedeutende Veränderung der
Dicke der Kernschicht, so dass eine glatte weitere Schichtfläche
erhalten werden kann. Da die gedruckte Lösung auch einen
engen und starken Kontakt zwischen der Kernschicht und dem Sensor
bildet, bildet (bilden) der Sensor (die Sensoren) keine Stellen
aus, an denen eine Hüllendelamination beginnt oder sich
anbahnt.
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Die
mit dem elastischen Bauteil ausgestatteten Elemente können
ein elastisches Bauteil aufweisen, das eine elastische Walzenhülle
und eine Stützstruktur hat, die ein Metallwalzenkern ist,
oder das eine elastische Gurthülle und eine Stützstruktur
hat, die ein Metalldrahtgewebe oder eine andere metallische Stützstruktur
ist.
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Eine
weitere mögliche Modifikation des Verfahrens weist den
Schritt zum Bereitstellen des anderen von dem Messelement und dem
Referenzelement auf der Fläche der weiteren elastischen
Schicht des elastischen Bauteils und die Ausbildung einer zusätzlichen
Schicht des elastischen Bauteils auf, um das Messelement und/oder
das Referenzelement abzudecken. Demgemäß kann
die komplette Messanordnung in einem einzelnen elastischen Bauteil
angeordnet sein. Des Weiteren ist, da das Referenzelement eine beliebige
Metallfläche sein kann, wenn die Messelemente Wirbelstromsensoren
sind, die in einer Anordnung oder in einer netzförmigen
Verteilung in Bezug auf die Außenform des elastischen Bauteils vorgesehen
sind, keine Ausrichtung zwischen dem Messelement und dem zugehörigen
Referenzelement erforderlich, wodurch sich die Herstellung eines Sensors
erleichtert, der mit dem elastischen Bauteil ausgestattet ist.
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Alternativ
kann das Messelement oder das Referenzelement auf der Fläche
der Stützstruktur vorgesehen sein, insbesondere kann der
Kern einer Walze eine Stützstruktur sein. In einer besonderen Anordnung
kann der Metallkern der Walze bereits das Referenzelement als solches
ausbilden, so dass nur Sensoren in den elastischen Hüllenmaterialien eingebettet
sind, die den Metallkern abdecken. Ferner können die Sensoren
innerhalb des Metallkerns vorgesehen sein, wobei diese Anordnung
eine elektrische Verbindung der Sensoren und die Übertragung
von gemessenen Signalen zu Überwachungs-/Steuerungseinrichtungen
vereinfacht, die außerhalb der Walze vorgesehen sind.
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Letztlich
ermöglicht eine genaue Messung der Walzenzustände
mittels der Messvorrichtung gemäß der Erfindung
eine Steuerung eines Barring-Phänomens in einem Walzenspalt
einer Maschine, insbesondere in einer Maschine, die bei der Herstellung
von Papier, Karton oder anderen Bahnerzeugnissen verwendet wird.
Mittels zumindest einer Walze, die mit einer wie vorstehend beschriebenen Messvorrichtung
ausgestattet ist, wird ein Walzenspaltdruck an Stellen der Walze
gemessen, die sukzessive durch den Walzenspalt hindurchtreten, und eine
Walzenspaltdruckschwankung entlang dem Umfang der Walze wird erhalten.
Dann werden durch eine geeignete Steuerung Kompensationskräfte
auf die Walze in einer kompensierenden Weise aufgebracht, um den
Walzenspaltdruck während einer Umdrehung der Walze auszugleichen.
Selbst wenn eine vollständige Kompensation der Druckschwankungen nicht
erreicht wird, ist die erreichte Reduktion der Druckschwankung ausreichend,
um zumindest ein Barring-Phänomen auf ein akzeptables Niveau
zu reduzieren. Gemeinsam mit dieser Barring-Phänomen-Steuerung
können die Sensorengitter in der Messvorrichtung verwendet
werden, um ein Längsdruckprofil entlang dem Walzenspalt
(d. h. in der Drehachsenrichtung der Walze) zu messen, und kann
das Walzenspaltdruckniveau durch eine Aufbringung der Kompensationskräfte
auf der Grundlage des gemessenen Druckprofils abgeflacht werden.
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In
einer besonderen Anwendung der Lastmessvorrichtung umfasst die zu
erfassende Last zusätzlich oder separat eine thermische
Last der elastischen Hülle. Das heißt, die Lastvorrichtung
wird für die Erfassung der Temperatur der Hülle
an der Position eines Messelements verwendet. Aus der Differenz
zwischen den Signalen, wenn das Messsignal den Walzenspalt durchtritt
(und der Walzenspaltlast ausgesetzt ist) und wenn das Messelement
außerhalb des Walzenspalts ist, kann ein Teil des Signals, das
zu der Walzenspaltlast zugeordnet ist, und ein Teil des Signals,
das zu der Temperatur zugeordnet ist, getrennt werden, so dass eine
Temperaturmessung innerhalb der Hülle möglich
ist. Eine besondere Anwendung verwendet die Messelemente als ein temperaturempfindliches
Messelement.
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Eine
Temperaturmessung kann verwendet werden, um auf eine Materialverschlechterung,
die Ausbildung von heißen Stellen oder dergleichen zu schließen,
um die auf die Walzenhülle wirkende Last zu optimieren.
Eine Temperaturüberwachung kann einfach durchgeführt
werden und ein Alarmsignal kann gegeben werden, wenn eine Überhitzung
der Hülle bestimmt ist oder eine Neigung dazu auftritt. Eine
Temperaturverteilung in Maschinenquerrichtung über die
Walze kann bestimmt werden und die Ausbildung eines sogenannten
thermischen Rings oder das Auftreten des Phänomens von
heißen Stellen kann unmittelbar erfasst werden. Des Weiteren
kann die Temperaturmessung und das (bekannte) Verhältnis
zwischen der Elastizität und der Temperatur des Materials
der Hülle verwendet werden, um die Genauigkeit der Lastmessergebnisse
zu verbessern.
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Nachstehend
sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 eine
allgemeine Ansicht zur Erläuterung der Position der Schnittebene
ist, die in einer Richtung A-A gezeigt ist; eine Ansicht, die im
Detail in 2 bis 6 gezeigt
ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht eines aus der Richtung A-A
betrachteten Details C in einem Schnitt durch einen Abschnitt von
zwei sich im Walzenspalt berührenden Walzen ist, die eine
erste Anordnung des Messelements und des Referenzelements zeigen;
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3 eine
vergrößerte Ansicht eines aus der Richtung A-A
betrachteten Details C in einem Schnitt durch einen Abschnitt von
zwei sich im Walzenspalt berührenden Walzen ist, die eine
zweite Anordnung des Messelements und des Referenzelements zeigen;
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4 eine
vergrößerte Ansicht eines aus der Richtung A-A
betrachteten Details C in einem Schnitt durch einen Abschnitt von
zwei sich im Walzenspalt berührenden Walzen ist, die eine
dritte Anordnung des Messelements und des Referenzelements zeigen;
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5 eine
vergrößerte Ansicht eines aus der Richtung A-A
betrachteten Details C in einem Schnitt durch einen Abschnitt von
zwei sich im Walzenspalt berührenden Walzen ist, die eine
vierte Anordnung des Messelements und des Referenzelements zeigen;
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6 eine
vergrößerte Ansicht eines aus der Richtung A-A
betrachteten Details C in einem Schnitt durch einen Abschnitt von
zwei sich im Walzenspalt berührenden Walzen ist, die eine
fünfte Anordnung des Messelements und des Referenzelements
zeigen;
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7 eine
vergrößerte Ansicht eines aus der Richtung A-A
betrachteten Details C in einem Schnitt durch einen Abschnitt von
zwei sich im Walzenspalt berührenden Walzen ist, die eine
sechste Anordnung des Messelements und des Referenzelements zeigen;
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8 eine
vergrößerte Ansicht eines aus der Richtung A-A
betrachteten Details C in einem Schnitt durch einen Abschnitt von
zwei sich im Walzenspalt berührenden Walzen ist, die eine
siebte Anordnung des Messelements und des Referenzelements mit einer
harten Walze und einer weichen Walze zeigen;
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9 verschiedene
Anwendungen einer Abstandsmessung in Bezug auf eine Lastaufbringungsrichtung
an einem elastisch verformbaren Körper zeigt;
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10 eine
Walze zeigt, in der die Positionen der Details X und Y von 11, 12 und 13 gezeigt
sind;
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11 ein
Detail eines Schnitts durch einen Kern und eine elastische Hülle
zeigt, die mit einer Messvorrichtung gemäß 5 ausgestattet
ist;
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12 ein
Detail X eines Schnitts durch einen Kern und einer elastischen Hülle
zeigt, die mit einer Messvorrichtung gemäß 4 ausgestattet
ist;
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13 eine
besondere Lösung innerhalb einer elastischen Walzenhülle
als ein Detail Y mit mehreren Schichten zeigt, die aufgebrochen
dargestellt sind, um einen Blick ins Innere zu ermöglichen;
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14 eine
mögliche Verteilung von Lastmessvorrichtungen in einer
Walzenhülle für eine Steuerung eines Barring-Phänomens
zeigt;
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15 gemessene
Lasten mit den Messvorrichtungen von 14 zeigt;
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16 gemessene
Lasten eines einzelnen Messelements während mehreren Umdrehungen
der Walze schematisch darstellt;
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17 gemessene
Lasten schematisch darstellt, die mit einem Satz von Messelementen,
die am Umfang einer Walze verteilt sind, während einer
Umdrehung gemessen werden;
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18 das
Prinzip einer Anordnung der Messelemente zeigt, derart, dass sie
in einer axialen Richtung der Walze und in einer Umfangsrichtung gegenseitig
versetzt sind;
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19 das
Signal schematisch darstellt, das aus einem einzelnen Messelement
erhalten wird, wenn der Walzenspalt mehrere Male durchtreten wird;
und
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20 die
Auswertung der gemessenen Lasten von der Messelementanordnung von 18 zum
Bestimmen der Walzenspaltlast in der axialen Richtung über
die Walzenlänge zeigt.
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1 zeigt
eine allgemeine Ansicht auf die Stirnflächen der zwei Walzen
in deren axialer Richtung. Die zwei Walzen 1 und 2 sind
im Walzenspalt miteinander in Kontakt. In dem Walzenspalt 5 herrscht
ein belasteter Anliegekontakt zwischen den zwei Walzen 1, 2,
und eine Messung des Drucks in diesem Walzenspalt ist ein Beispiel
der Anwendung der Messvorrichtung zum Messen einer Last, die in diesem
Fall zwischen den zwei Walzen wirkt.
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Es
ist anzumerken, dass dies eine besondere Anwendung der Messvorrichtung
ist, und es ist ferner möglich, die Messvorrichtung in
Kombination mit Gurten und Walzen und anderen zusammenwirkenden
Maschinenteilen zu verwenden, von denen eines dieser zwei Elemente
das elastisch verformbare Bauteil bilden kann.
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Ferner
kann die Lastmessvorrichtung zum Messen von Lasten in statisch belasteten
Vorrichtungen, bei Stützstrukturen von beweglichen und
statischen Teilen und dergleichen verwendet werden. Kurz gesagt
kann die Lastmessvorrichtung angewandt werden, wo immer die Last
zwischen Elementen zu messen ist. Bevorzugt umfasst oder trägt
bereits eines dieser Elemente ein elastisch verformbares Bauteil,
das dann angepasst werden kann, um einen Teil der Lastmessvorrichtung
zu bilden.
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Im
Bezug auf die Walzen 1, 2, die in 1 gezeigt
sind, können diese Walzen Walzen in einer Maschine sein,
die bei der Papier- oder Kartonherstellung, Papier- oder Kartonveredelung
und bei anderen Bearbeitungen von bahnförmigen Materialien einschließlich
textilen Materialien, Kunststofffilmmaterialien oder dergleichen,
sowie bei Druckprozessen bei den vorstehend erwähnten Materialien
verwendet werden. Natürlich kann eine andere Anwendung
der Walzen, bei denen eine Lastmessung erforderlich ist, mit der
Lastmessvorrichtung ausgestattet sein; die Präparierung
von mehrschichtigen Folienerzeugnissen, Verbundstoffen von Papier
und anderen Materialien und ferner das Aufschmelzen oder Kleben
von diesen oder unterschiedlichen Materialien miteinander sind weitere
mögliche Anwendungen.
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Es
ist insbesondere anzumerken, dass die Lastmessvorrichtung nicht
auf die Anwendung bei Walzenpaaren beschränkt ist, sondern
die Vorrichtung kann auch bei einer Walze angewandt werden, die
mit einem flachen Element wie z. B. einem Metallgurt paarweise angeordnet
ist, wobei die Lastvorrichtung in der Walze, in dem flachen Element
oder in beiden Bauteilen angeordnet sein kann und des Weiteren kann
die Lastmessvorrichtung beim Messen einer Last angewandt werden,
die zwischen strukturellen Teilen wirkt, z. B. in einem Maschinenrahmen oder
zwischen einem Stellglied und einem zu stellenden Element, um eine
Last wiederzugeben, die durch das Stellglied aufgebracht wird.
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Als
elastisch verformbares Element kann eine große Anzahl von
Elementen, die eine elastische Verformbarkeit bieten, verwendet
werden, synthetische Materialien sind jedoch bevorzugt. In diesem
Fall ist es bevorzugt, dass das elastisch verformbare Bauteil im
Wesentlichen keine elektrische Leitfähigkeit aufweist,
das dann die Verwendung einer großen Anzahl von Sensoren
einschließlich Wirbelstromsensoren ermöglicht,
was nachstehend ausführlich beschrieben ist.
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Bei
der vorliegenden Beschreibung wird ein Kalander zur Papierveredelung
als Beispiel zur Erläuterung der Erfindung hergenommen.
Bei einem Kalander wird die Papierveredelung durch Hindurchschreiten
des Papiers durch einen Walzenspalt erreicht, der auf das Papier
in einer vorbestimmten Art und Weise wirkt, um eine vorbestimmte
Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten, wie z. B. Glattheit,
Glanz, etc. Ferner können die Kalander die Form von Multinip-Kalandern
aufweisen, bei denen die Bahn nacheinander mehrere Walzenspalte
durchschreitet, die durch Walzen ausgebildet sind, die unter Last
in Kontakt sind. Bei derartigen Kalandern kann ein Stapel von Walzen
bereitgestellt sein, die benachbart zueinander in einer Stützstruktur
derart angeordnet sind, dass die inneren Walzen des Stapels beide
benachbarte Walzen berühren, um einen Walzenspalt zu bilden,
und wobei nur eine der Walzen des Stapels ist angetrieben. Die Bahn
schreitet durch die Anordnung von Walzenspalten hindurch, um die
gewünschte Oberflächenbeschaffenheit durch Aufbringung
von Wärme, Feuchtigkeit und Druck in einer vorbestimmten
Weise zu erhalten.
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1 zeigt
ein einzelnes Paar von Walzen, das vervielfacht werden kann und
in dem Multinip-Kalander, wie vorstehen beschrieben, verwendet werden
kann. Des Weiteren ist in 1 ein Kreis
C gezeigt, der die Walzenspaltregion der Walzen 1, 2 umgibt.
Die strichpunktierte Linie zeigt die Schnittebene, die für
die Schnittansicht der verschiedenen Ansichten von Sensoren und
Referenzelementen verwendet wird, die aus der Richtung A-A (Pfeile)
betrachtet werden und in 2 bis 8 gezeigt
sind.
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Die
linke Walze 1, die in 1 gezeigt
ist, hat eine Hülle 12, die auf einen Kern 11 aufgebracht
ist, und die rechte Walze 2 hat einen Kern 23 und
eine Hülle 22 darauf. Der Kern 23 ist
aus einem nicht eisenhaltigen und elektrisch nicht leitenden Material hergestellt,
das für elektromagnetische Wellen durchlässig
ist. Zum Beispiel können Glasfaserverbundmaterialien oder
andere Kunststoffmaterialien verwendet werden. Zumindest eine der
Hüllen 12 oder 22 oder zumindest ein
Teil von diesen Hüllen kann ein elastisch verformbares
Bauteil umfassen oder ausbilden, dessen Verformung unter Last gemessen wird,
um die Last zu bestimmen, die zwischen den zwei Walzen 1 und 2,
das heißt in dem Walzenspalt 5, wirkt. Es ist
anzumerken, dass unterschiedlich zu 1 die Erfindungen
in der Praxis angewandt werden, wobei nur eine der Walzen mit der
elastischen Hülle vorgesehen ist, während die
andere Walze eine harte Walze, ein Metallgurt oder dergleichen ist,
das heißt sie hat nur einen Metallkern, der ihre Außenfläche
bildet, wie durch den schraffierten Teil X der Walze 1 in 1 angezeigt
ist. Dieses Prinzip wird bei der Lösung angewandt, die
in 8 gezeigt ist und die nachstehend beschrieben
ist. Ferner kann eine der Hüllen 12 oder 22 von
einer der Walzen 1 und 2 eine harte Hülle
sein, zum Beispiel zum Verschleißschutz, wobei die Hülle üblicherweise
eine geringere Dicke als in 1 gezeigt
hat. Zusammenfassend ist es bei dem Walzenpaar von 1 ausreichend,
dass eine der gezeigten Hüllen 12 oder 22 elastisch
verformbar ist.
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Die
Lastmessvorrichtung verwendet eine Messung einer Veränderung
einer Länge in Erwiderung auf eine Verformung des elastisch
verformbaren Bauteils unter der zu messenden Last. Dafür
wird ein Abstandssensor verwendet. Obwohl mehrere Arten von Abstandssensoren
verwendet werden können, konzentriert man sich auf einen
Abstandssensor, der ein Messelement und ein Referenzelement verwendet,
wobei das Messelement angeordnet ist, um eine Abstandsänderung
in Bezug auf das Referenzelement zu messen.
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Es
gibt verschiedene Anwendungen der Abstandsmessung in Bezug auf die
Lastaufbringungsrichtung. 9 zeigt
die zwei Hauptfälle der Lastaufbringung und die resultierende
Abstandsänderungsmessung.
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In 9a) und 9b)
ist der Fall gezeigt, in dem die Lastaufbringungsrichtung und die
Abstandsmessrichtung im Wesentlichen senkrecht zueinander sind.
Wenn eine Last F auf einen verformbaren Körper 6 aufgebracht
wird, wird eine Längenänderung, die proportional
zu der aufgebrachten Last ist, in der Richtung beobachtet, die senkrecht
zu der Lastaufbringungsrichtung ist, da zumindest ein Teil des Volumens
des elastisch verformbaren Materials des Körpers 6 den
aufgebrachten Kräften entweichen muss, da ein elastisch
verformbares Material nicht in demselben Ausmaß komprimierbar
ist. Demgemäß verändert sich eine Veränderung
der Länge oder des Abstands l1 zwischen
einem Messelement 300 und einem Referenzelement 400 auf
eine Länge oder einen Abstand l2,
und die Differenz kann als Hinweis für die aufgebrachten
Kräfte F hergenommen werden.
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Andererseits
entspricht, wie in 9c) und 9d) gezeigt ist, die Lastaufbringungsrichtung
im Wesentlichen der Lastaufbringungsrichtung. Nach der Aufbringung
der Last F auf den elastischen Körper 6 wird ein
Abstand l3 zwischen dem Messelement 300 und
dem Referenzelement 400 gemessen und kann die Differenz
zu der Länge l1 als ein Hinweis
für die aufgebrachten Kräfte F hergenommen werden.
Es ist anzumerken, dass sich in dem Fall von 9a), 9b) der Abstand erhöht, wenn sich
die Last erhöht, und sich in 9c)
und 9d) der Abstand verringert, wenn sich
die Last erhöht.
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Nachstehend
sind mehrere prinzipielle Anordnungen des Messelements und des Referenzelements
in einer Lastmessvorrichtung beschrieben, die bei dem Walzenpaar
angewandt wird, das in 1 gezeigt ist. Es ist anzumerken,
dass diese Anordnungen das in 9c)
und 9d) gezeigte Prinzip anwenden oder
diesem folgen.
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2 zeigt
eine erste Lösung für die Anordnung des Messelements 300 und
eines Referenzelements 400 in einem Abschnitt einer Walze 2.
Wie aus der Zeichnung erkennbar ist, können die Sensoren 300 an
einer Innenseite eines hohlen Walzenkerns 23 angeordnet
sein und ist das Referenzelement 400 in einer gegenüberliegenden
Weise in der elastischen Hülle 22 der Walze 2 angeordnet.
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Im
Betrieb wird die elastische Hülle 22 der Walze 2 verformt
und folglich verändert sich der Abstand 1, wie
in 2 gezeigt ist, das heißt er verringert
sich. Durch eine geeignete Kalibrierung und/oder Berechnung stellt
das Verhältnis zwischen der Veränderung der Distanz 1 in
einem belasteten und unbelasteten Zustand einen Wert für
die tatsächlich in dem Walzenspalt 5 zwischen
den Walzen 1, 2 wirkende Last dar, in dem eine
Papierbahn 700 gekniffen wird.
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In
der Zeichnung von 2 ist die linke Walze 1 als
eine Walze mit einem Walzenkern 11 und einer Hülle 12 gezeigt.
Es ist anzumerken, dass diese Walze nicht unbedingt eine elastische,
umhüllte Walze ist, sondern die Verwendung von derartigen
Walzen mit der Erfindung möglich ist. Natürlich
kann die Erfindung angewandt werden, wenn die Walze 1 eine harte
Walze ist, die keine elastische Hülle aufweist. Es ist
anzumerken, dass in diesem Ausführungsbeispiel und in den
weiteren Ausführungsbeispielen eine der Walzen durch einen
Metallgurt ersetzt werden kann, der selbst mit einer elastischen
Hülle versehen sein kann.
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Bezogen
auf die Arten von Sensoren, die als Messelemente 300 verwendet
werden können, sind mehrere Sensorarten anwendbar, solange
sie in der Lage sind, ein Signal zu übermitteln, das eine
Abstandsänderung zwischen dem Sensor 300 und dem Referenzelement 400 anzeigt.
Das Referenzelement 400 ist bevorzugt ein Metallgitter
und der Sensor 300 ist bevorzugt ein Wirbelstromsensor.
In diesem Fall müssen die Materialschichten zwischen dem
Sensor 300 und dem Referenzelement 400 elektrisch
nicht leitfähig und nicht eisenhaltig sein, um das elektromagnetische
Signal erzeugen bzw. übertragen zu können. Mit
Bezug auf den Sensor 300 als Wirbelstromsensor sind weitere
Details nachstehend beschrieben.
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Die
Anordnung, die in 2 gezeigt ist, hat den Vorteil,
dass der Innenraum der Walze 2 für Sensorleitungen
und Datenübertragungen zur Außenseite der Walze 2 verwendet
werden kann. Zum Beispiel kann eine drahtlose Datenübertragung
verwendet werden, so dass nur eine Energiezufuhr in die Walze 2 zur
Verfügung gestellt werden muss. Andererseits ist auch eine
Kabelverbindung zwischen den Sensoren 300 innerhalb der
Walze 2 und eine geeignete Datensammelvorrichtung außerhalb
der Walze 2 möglich, zum Beispiel durch Gleitkontakte
oder andere Lösungen. Bezogen auf die Sensoranordnung ist
gezeigt, dass zwei Messelemente 300 nebeneinander angeordnet
sind, aber auch ein einzelner Sensor oder selbst eine Anordnung
von mehreren Sensoren, die in der Maschinenquerrichtung angeordnet sind,
oder in der Form eines Gitters angeordnet sind, das die Innenfläche
der Walze 2 umgibt, können verwendet werden. Anwendungen
dieser Sensoranordnungen sind nachstehend weiter beschrieben.
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3 zeigt
eine weitere Anordnung des Messelements 300 und des Referenzelements 400 in der
Walzenhülle 22 der Walze 2. Wie in 3 erkennbar
ist, sind die Messelemente 300 an dem Walzenkern 23 angeordnet
und ist das Referenzelement 400 in einer gegenüberliegenden
Weise zu diesen Sensoren 300 irgendwo in der elastischen
Walzenhülle 22 angeordnet. Das Innenvolumen der
Walze 2 ist nicht länger für die Sensoranordnung
geeignet, so dass andere Lösungen in Bezug auf die Datenübertragung
der gemessenen Signale außerhalb der Walze 2 gefunden
werden müssen. Eine Lösung stellt das direkte
Einbetten von Signalverarbeitung- und Übertragungsschaltkreisen
(nicht gezeigt) mit einer gewöhnlichen Energiezufuhr in
der Hülle oder an der Rollenoberfläche dar. Es
ist anzumerken, dass geeignete Radiofrequenztransmitter in der Zwischenzeit
in einer sehr kleinen Größe verfügbar
sind, die es ermöglichen, dass die Transmitter gemeinsam
mit den Sensoren an der gewünschten Stelle an dem Walzenkern 23 oder
in einer Grundschicht eingebettet werden können, die auf
den Walzenkern 23 aufzubringen ist.
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Ein
einfaches Ausführungsbeispiel eines einzelnen Sensors ist
eine ebene Spiralspule, die aus elektrischen Drähten auf
einem kleinen, dünnen Substrat wie eine Schaltplatine ausgebildet
ist, die als eine Spule eines Wirbelstromsensors wirkt. Die Spule
wird durch einen Impulsgenerator betrieben, so dass sie entweder
frei schwingt oder mit einer konstanten Frequenz schwingt. Durch
Messen von entweder der Frequenz, des Energieverlusts oder der Phasenverlagerung
des Wirbelstromsensors kann der Abstand zu dem Referenzelement 400 bestimmt werden.
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Eine
Verbindung der Sensoren 300 zu der Außenseite
der Walze 2 kann mit einem kleinen Radiotransmitter, wie vorstehend
erwähnt ist, erreicht werden, der in einem Randbereich
der Hülle eingebaut ist, der den Walzenspalt nicht durchschreitet.
Es ist ferner möglich, eine drahtlose Energiezufuhr des Messsystems
mittels einer Spule, einem geeigneten Kondensator und zusätzlicher
Elektronik vorzusehen, die in der Walze angeordnet sind. Aus diesem Grund
ist ein Magnet in Bezug auf die sich drehende Walze stationär
angeordnet und induziert der Magnet bei jeder Umdrehung einen Stromimpuls
in der Spule. Dann kann die Messanlage durch die gespeicherte elektrische
Energie angetrieben werden, die zu einer Energiespeicherbatterie
in der vorstehend beschriebenen Weise geleitet wurde.
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Bezogen
auf 4 ist eine weitere Anordnung des Messelements 300 und
des Referenzelements 400 innerhalb der elastischen Hülle 22 der Walze 2 gezeigt.
Die Messelemente 300 sind in dem elastischen Hüllenmaterial 23 eingebettet
und das Referenzelement 40 ist radial außerhalb
von ihnen in einem vorbestimmten Abstand zu der elastischen Hülle
angeordnet, das gemäß den vorstehenden Überlegungen
aus einer Metallfolie oder -film, einem Gitter, einem Netz oder
Drähten hergestellt ist. Insbesondere ist die Struktur,
die in 4 gezeigt ist, bei einer mehrschichtigen Struktur
der elastischen Walze 22 anwendbar, wobei die Messelemente 300 bei
einer ersten oder Grundschicht anwendbar sind, die mit einer weiteren
Schicht überzogen wird, auf der das Referenzelement 400 aufgebracht
werden kann. Dann kann eine finale Schicht auf das Referenzelement 400 aufgebracht
werden, um die finale Außenoberfläche der Walze 2 bereitzustellen.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist der Abstand 1 zwischen dem
Referenzelement 400 und dem Messelement 300 das
gemessene Merkmal, in Übereinstimmung mit diesem das Messelement 300 ein
entsprechendes Signal erzeugt.
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Eine
weitere alternative Anordnung ist in 5 gezeigt,
wobei das Messelement 300 in der elastischen Hülle 22 angeordnet
ist, während das Referenzelement durch den Walzenkern 23 selbst
ausgebildet ist. In einem Fall von metallischen Walzenkernen kann
dies eine elegante Lösung sein, die nur erfordert, dass
die einzelnen Materialschichten, die sich von der elastischen Hülle
unterscheiden, in der elastischen Hülle 22 eingegliedert
sind. Das Merkmal, das zu der zu messenden Last zugehörig
ist, ist der Abstand 1 zwischen dem Sensor und dem Walzenkern 23.
Die vorstehenden Betrachtungen in Bezug auf Materialien, Sensoren,
Strukturen und andere technische Merkmale sind hier auch anwendbar.
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6 zeigt
eine Anordnung, in der eine der Hüllen 12 der
zwei Walzen 1, 2 das Referenzelement 400 umfasst,
während die elastische Hülle 22 der anderen
Walze 2 das Messelement 300 aufweist. Insbesondere
beinhaltet die elastische Hülle 12 der Walze 1 das
Referenzelement 400, das aus einer Metallfolie oder -film,
einem Metallgitter, einem Netz oder sogar einzelnen Drähten
bestehen kann. Die gegenüberliegende Walze 2 hat
eine elastische Hülle 22, in der ein Messelement 300 eingebettet
ist. Dieser Sensor ist bevorzugt ein Wirbelstromsensor, wie vorstehend
beschrieben ist. Mit dieser Sensoranordnung wird der Abstand l zwischen
dem Messelement 300 und dem Referenzelement 400 in
der anderen Walze gemessen, wobei mit dieser Anordnung eine große Auflösung
der gemessenen Werte erhalten werden kann, da die Verformungen der
zwei elastischen Hüllen 12, 22 im Fall,
in dem die Walzen 1, 2 gegeneinander belastet
werden, auftreten und gemessen werden. Andererseits sind/ist die
plastische und/oder elastische Verformung der Bahn, die durch den
Walzenspalt hindurchtritt, in dem gemessenen Signal umfasst. Die
vorstehenden Betrachtungen in Bezug auf Materialien, Sensoren, Strukturen
und anderen technischen Merkmalen sind hier auch anwendbar.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, in dem die Messelemente 300 an
einem Walzenkern 23 einer Walze angeordnet sind und durch
eine Hülle 22 abgedeckt sind. Die Hülle
berührt eine Papierbahn 700 in einem Walzenspalt
und die Papierbahn 700 ist auch in Presskontakt mit einer
Hülle 12 an einem Walzenkern 11. Der
Walzenkern 11 bildet das Referenzelement 400 aus.
Bei dieser Anordnung ist die Verwendung eines separaten Referenzelements 400 nicht
erforderlich, wenn der Kern 11 aus einem eisenhaltigen
und/oder elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist.
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8 zeigt
eine modifizierte Ausführungsform, in der es nur eine elastische
Hülle 22 gibt, in der die Messelemente 300 eingebettet
sind, die an einem Walzenkern 23 angeordnet sind. Die Hülle 22 presst eine
Papierbahn 700 gegen eine harte Walze oder Gurtkern 11.
Es ist anzumerken, dass der Kern 11 durch nicht elastische,
harte Hüllen ummantelt sein kann, um besondere Flächeneigenschaften
wie zum Beispiel eine Papierabgabe, einen Korrosionsschutz, eine
Feuchtigkeitsaufnahme/-abgabe und dergleichen bereitzustellen. Ähnlich
wie in 7 bildet der Kern 11 das Referenzelement 400 aus.
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11 zeigt
ein Detail X in 10 einer Walzenhülle,
die mit einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel ähnlich
wie in dem vorgesehen ist, das in 5 gezeigt
ist. Wie aus 11 erkennbar ist, ist ein Walzenkern 23 mit
einer ersten Schicht 221 bedeckt, die eine gewundene Schicht
ist, die eine Basisschicht für die elastische Hülle
bildet. Auf dieser gewundenen Schicht 221 sind Messelemente 300 angeordnet,
und sie sind miteinander durch Drähte 301 verbunden.
Insbesondere kann das Messelement 300 in der Form eines
gedruckten Wirbelstromsensors vorgesehen sein, der auf einem Substrat
oder Filmmaterial ausgebildet ist, wobei das Substrat an der Kernschicht 221 des
elastischen Bauteils 22 angeordnet ist, oder es durch Ausbilden von
Wirbelstromsensoren direkt auf der Kernschicht 221 durch
einen lithographischen Prozess ausgebildet sein kann. Somit verursacht
die Einbettung des Sensors keine erhebliche Veränderung
der Dicke der Kernschicht 221, so dass eine gleichmäßige
Oberfläche der Hüllenschicht 223 erhalten
werden kann. Da die gedruckte Lösung auch einen engen und
starken Kontakt zwischen der Kernschicht 221 und dem Sensor 300 bildet,
bildet (bilden) der Sensor (die Sensoren) keine Stellen aus, an
denen eine Hüllendelamination startet oder sich anbahnt.
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Diese
Schicht mit Sensoren 300 ist durch eine Gussschicht 222 eines
elastischen Materials abgedeckt. Schließlich ist die Walze 2 mit
einer Außenschicht 223 abgedeckt, die die gesamte
Messvorrichtung in der Walzenhülle abdeckt. Wie in 11 gezeigt
ist, ist der Abstand, dessen gemessene Veränderung ein
Hinweis für die Last ist, der Abstand zwischen dem Messelement 300 und
den Walzenkernen 23, das heißt der Walzenkern 23 bildet
das Referenzelement 400 aus.
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Demgemäß ist
es erkennbar, dass das elastisch verformbare Element zwischen dem
Sensor 300 und dem Walzenkern 23 homogen ist,
so dass das Verhältnis zwischen Verformung und Last für
diese verformbare Schicht als ein kontinuierliches Verhältnis
betrachtet werden kann, was den Aufwand zur Kalibrierung der Vorrichtung
reduziert.
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12 zeigt
eine alternative Anordnung, die zu der Anordnung, die in 4 gezeigt
ist, korrespondiert. Wie in 12 gezeigt
ist, ist der Walzenkern 23 mit einer ersten Schicht 221 abgedeckt,
die eine gewundene Schicht ist, und auf dieser ersten Schicht 221 ist
eine Anordnung von Sensoren 300 angeordnet, die mit der
zugehörigen Datenakquirierungs- und Bewertungsvorrichtung
durch geeignete Drähte 301 verbunden sind. Dann
ist eine Gussschicht 222 auf der ersten den Sensor tragenden Schicht 221 aufgebracht.
Dann ist eine Metallfolie oder -gitter oder -netz 400 auf
dieser Gussschicht 222 aufgebracht. Auf diesem Referenzelement 400, das
aus Metall hergestellt ist, ist eine Außenschicht 223 aufgebracht.
Wie in 12 gezeigt ist, ist der als ein
Hinweis für die Last zu messende Abstand der Abstand l
zwischen der Sensoroberfläche 300 und dem Referenzelement 400.
Das heißt, eine Verformung der Gussschicht 222 wird
gemessen. Ferner bildet die Verformung einer einzelnen Schicht die Grundlage
für die Messung, so dass auch ein kontinuierliches Verhältnis
zwischen der Verformung der Last erwartet wird und eine Kalibrierung
einfacher ist. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Anwendung auch
das Verfahren zum Ausbilden der vorstehenden Messwalzentypen umfasst.
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13 zeigt
eine bestimmte Lösung innerhalb einer elastischen Walzenhülle
als ein Detail Y mit mehreren Schichten, die aufgebrochen dargestellt
sind, um eine Ansicht deren Innenseite zu ermöglichen.
Die Struktur korrespondiert im Wesentlichen zu der von 12,
aber es ist anzumerken, dass diese Struktur auch modifiziert werden
kann, um eine beliebige der möglichen Anordnungen zu erhalten,
die in 2 bis 6 gezeigt sind. Wie aus der 13 erkennbar
ist, trägt eine Innenschicht oder gewundene Schicht 221 spiralförmige
Sensorelemente 300. Die Sensoren 300 sind in einer
Reihe an einem Streifen 302 angeordnet. Dieser Streifen kann
ein geeignetes Filmmaterial sein, an dem die Sensorspiralen mittels
einer bekannten Technologie wie zum Beispiel einem Aufdampfverfahren,
einer Dünnfilmaufbringung, einem Druckprozess einer leitfähigen
Paste und dergleichen ausgebildet werden. Die Streifen 302 können
auch eingebettete oder vorher aufgebrachte Drähte 301 umfassen,
die auch durch die vorstehend erwähnten Techniken ausgebildet
werden können. Es ist anzumerken, dass der Streifen 302 ferner
aus Materialien hergestellt sein kann, auf denen die Spiralen für
die Sensoren 300 und/oder die Drähte 301 für
die Sensoren durch Techniken wie Ätzen oder mechanische
Bearbeitung ausgebildet werden können.
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Es
ist anzumerken, dass ein derartiger Streifen 301 nicht
erforderlich ist und ausschließlich aufgebracht ist, um
sich in eine Richtung übereinstimmend mit der Drehachse
der Walze zu erstrecken, ferner können mehrere Streifen
parallel angeordnet sein, um ein Sensorgitter auszubilden, das Teile
oder nahezu den gesamten Umfang der Walzenschicht 221 abdeckt.
Ferner sind schräge Anordnungen von derartigen Sensoranordnungen
in Bezug auf die Drehachse der Walze möglich und können
zum Beispiel eine bestimmte Erleichterung bezüglich der
Datenakquirierung bilden. Zum Beispiel können sie bei einer
derartigen schrägen Anordnung derart angeordnet sein, dass
die Sensoren eines Streifens nacheinander durch den Walzenspalt
hindurchschreiten, in dem die Last zu messen ist, so dass ein geeignetes
Sammeln von Daten mit Zeitabständen die Datenakquirierung
vereinfacht und eine Messung einer Lastverteilung entlang einer
Spirallinie vorsieht, die um die Walze gewunden ist. Aus dieser
Linie kann eine Walzenspaltlastverteilung entlang der Drehachse
an der Walze geschlossen werden, wie nachstehend weiter in Bezug
auf 18 bis 20 beschrieben
ist.
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Wie
aus der 13 weiter erkennbar ist, ist die
Gussschicht 222 aufgebracht, um den Streifen 203 der
Sensoren 300 abzudecken. Danach ist ein Netz eines Dünnmetalldrahts 400 auf
dieser Gussschicht 222 angeordnet, bevor die Außenschicht 223 darauf
aufgebracht ist.
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Vorstehend
ist beschrieben, dass die Innenschicht eine gewundene Schicht ist
und die Zwischenschicht eine Gussschicht ist. Natürlich
kann eine geeignete Reihenfolge dieser Schichten für den bestimmten
Zweck der Walze ausgewählt werden. Des Weiteren kann die
Walze nur Schichten eines Typs aufweisen.
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Nachstehend
ist in Bezug auf 14 und 15 eine
Anwendung für eine periodische Walzenspaltschwingungserfassung
mittels der Messvorrichtung erläutert.
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Bei
einer periodischen Walzenspaltschwingung kann ein sogenanntes Barring-Phänomen
auftreten, wenn die in Presskontakt befindlichen Walzen, die einen
Walzenspalt 5 ausbilden, in der Art und Weise gedreht werden,
wie in 14 gezeigt ist. Wie durch einen
Pfeil P bei der Walze 1 von 14 gezeigt
ist, kann die Schwingung der zwei Walzen 1, 2 relativ
zueinander auftreten. Diese Lastschwingung kann die beabsichtigte
Bahnbehandlung in dem Walzenspalt negativ beeinflussen und einen
Schaden der Walzenhüllen durch wiederholt auftretende hohe Lasten
an der gleichen Stelle der elastischen Hülle verursachen,
so dass es sehr wahrscheinlich ist, dass ein Ausbrechen der elastischen
Hülle an diesen Stellen auftritt.
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Es
wurde herausgefunden, dass die Lastmessvorrichtung der vorliegenden
Anwendung in vorteilhafter Weise für diese Mess- und Steuerungsaufgabe
verwendet werden kann. Wie in
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15 gezeigt
ist, ist auf der Abszisse die Zeit dargestellt und auf der Ordinate
eine Signalstärke von den Sensoren dargestellt. Wenn man
nun die Anzahl der Sensoren, die nacheinander durch den Walzenspalt
hindurchschreiten, wie in 14 gezeigt
ist, durch die Nummerierung S1, S2, S3, S4, etc. benennt, und wenn
man dann das zugehörige Sensorsignal in 15 anzeigt,
findet man eine gemessene Kurve, die eine Lastschwingung in dem Walzenspalt 5 wiedergibt.
Dieses gemessene Signal kann verwendet werden, um die Walzenspaltlastschwingung
durch ein geeignetes Aufbringen einer Gegenlast zum Beispiel an
den Lagern der Walzen zu kompensieren.
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Es
ist anzumerken, dass für eine genaue Erfassung eine dichte
Verteilung der Sensoren vorteilhaft ist, aber dass dies natürlich
die Datenakquirierung und Bewertung außerordentlich erhöht.
Um eine Schwingung und Last des Barring-Phänomens zu erhalten,
ist die minimale Verteilung jedoch in der Hälfte der Periode
des Sinus anzusehen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.
Zum Beispiel kann die Gegenlast, die auf die Lager der Walzen oder
auf die Stützstruktur zumindest einer Walze aufgebracht wird,
eine Lastschwingung mit der selben Amplitude und Frequenz sein,
welche aber verlagert zu der Lagerlastschwingung sind, so dass eine
Auslöschung dieser Walzenschwingung erreicht werden kann.
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16 zeigt
schematisch Messergebnisse eines einzelnen Sensors S2 (Messelements),
wenn ein kontinuierliches Messverfahren verwendet wird. Bei jeder
Umdrehung schreitet der Sensor S2 einmal durch den Walzenspalt hindurch.
Wenn die gemessenen Werte (Signal oder Kraft F) jedes Walzenspaltdurchgangs
des Sensors über eine Anzahl von Drehungen n gesammelt
werden, ist es möglich, Durchschnittslastwerte, Trends
der absoluten und relativen Veränderungen, und andere statistische
Werte zu erhalten, die verwendet werden können, um ein
langlebiges Betriebsverhalten des Hüllen/Walzen/Walzenspalt/Bahn-Systems
zu definieren und zu verstehen. Dies kann mit jedem Sensor erreicht
werden. Zum Erfassen des Durchgangs durch den Walzenspalt gibt es
einen eindeutigen Höchstwert, der aus der Signalform erhalten
wird, die in dem unteren Abschnitt von 16 gezeigt
ist. Daher ist eine einfache und genaue Walzenzustandsüberwachung
mit der Messvorrichtung möglich.
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17 zeigt
eine Bewertung einer Anordnung einer Vielzahl – hier 72 – von
Sensoren S1 bis S72 (Sensorelementen), die um die Walze in einer Art
und Weise am Umfang angeordnet sind, wie zum Beispiel in 14 gezeigt
ist. In 17 ist schematisch ein Graph
gezeigt, der das gemessene Signal jedes Sensors S1 bis S72 während
einer Umdrehung der Walze anzeigt. Die sukzessiven Signale weisen eine
gewisse Zeitüberlappung während einer Erhöhung
zu und einer Abnahme von einem Höchstwert auf, wie in dem
unteren Teil von 17 gezeigt ist. Der Höchstwert
gibt den tatsächlichen Kraftwert in dem Walzenspalt wieder
und wird daher als der gemessene Wert hergenommen. Aus diesen Werten wird
eine Kraftkurve über die Walzenumdrehung erhalten. Innerhalb
dieser Kurve ermöglicht es eine Interpolation zwischen
den Werten, Kraftwerte an jeder beliebigen Umfangsposition auf der
Walze zu finden. Natürlich kann mehr als eine dieser Kurven
aufgezeichnet werden, um auf langfristige Daten zu erhalten und
um das langzeitige Verhalten der Walzen zu bestimmen.
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18 zeigt
eine Anordnung einer Vielzahl von Sensoren (Messelementen 300)
an einem Walzenkern 23, wobei jeder Sensor in axialer Richtung (Richtung
a) und in Umfangsrichtung verglichen zu dem benachbarten Sensor
(den benachbarten Sensoren) verlagert ist. Wenn der Versatz in beiden
Richtungen zwischen jedem der Sensoren konstant ist, bilden die
Sensoren eine Anordnung aus, die linear und schräg um den
Walzenkern 23 gewunden ist.
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Ein
Sammeln der Daten von mehreren Durchgängen eines einzelnen
Sensors durch den Walzenspalt erzeugt ein Signal F, dessen Form
schematisch in 19 gezeigt ist. Das heißt,
wenn der Sensorausgang graphisch angezeigt wird, sieht der Graph
im Wesentlichen so aus wie in 19. Es
ist anzumerken, dass das Sensorsignal F nicht notwendigerweise auf
null zurückkehren muss, nachdem der Sensor den Walzenspalt
durchtreten hat, sondern es kann einen Signalversatz u geben, der
Temperaturbelastungen oder dergleichen umfasst. Wenn der Sensor
die Volllast erfasst, geht das Signal auf ein Niveau v hoch. Die
Differenz zwischen zwei (Durchschnitts-)Werten eines einzelnen Sensors,
wenn dieser den Walzenspalt durchtritt, ist die Signalamplitude
der maximalen Walzenspaltlast. Mit der Sensoranordnung, wie in 18 gezeigt
ist, und mittels der Signalamplitude von jedem der Sensoren kann
die Walzenspaltlastverteilung in der axialen Richtung der Walzen
erhalten werden, die oft als Maschinenquerrichtung (CD) bezeichnet
ist. Somit wird ein CD-Walzenspaltlastprofil erhalten.
-
Die
Verwendung des Differenzialprinzips, das heißt die Signalamplitude
ist als eine Differenz zwischen zwei gemessenen Werten (v – u)
definiert, kompensiert automatisch Einflüsse auf die gemessenen
Werte wie die Temperatur, Verzögerungen beim Wiederherstellen
einer Hülle nach einer Verformung und andere Effekte, die
die Qualität der Messung nachteilig beeinflussen können.
Ferner kann aus dem Signal unter der Kurve von 19 (schraffierte Fläche)
auch der Walzenspaltimpuls gemessen werden. Diese Information kann
bei der Prozesssteuerung und auch zum Prüfen/Überwachen
des Materialverhaltens und von spezifischen Materialbelastungen
hilfreich sein.
-
Schließlich
können auch die Wirbelstromsensoren, die vorstehend beschrieben
sind, zur Messung der Temperatur in der Hülle verwendet
werden, in die der Sensor eingebettet ist. Der spiralförmige Wirbelstromsensor
wird als ein temperaturempfindliches Messelement verwendet. Diese
Messung kann verwendet werden, um eine Materialverschlechterung,
die Bildung von heißen Stellen oder dergleichen zu bestimmen,
um die Last an der betroffenen Walzenhülle zu optimieren.
Insbesondere kann eine Temperaturüberwachung einfach durchgeführt
werden und kann ein Alarmsignal ausgegeben werden, wenn eine Überhitzung
der Hülle festgestellt wird.
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Ferner
kann eine Temperaturverteilung in der Maschinenquerrichtung über
die Walze mit einer Sensoranordnung festgestellt werden, wie zum
Beispiel in 18 gezeigt ist. Mit diesem Instrument kann
die Bildung eines sogenannten thermischen Rings (eine lokale Überhitzung
aufgrund einer Überlast an einer bestimmten Walzenspaltposition)
unverzüglich erfasst werden. Des Weiteren können
die Temperaturmessung und das (bekannte) Verhältnis zwischen
der Elastizität und der Temperatur des Materials der Hülle
verwendet werden, um die Genauigkeit der Lastmessergebnisse zu verbessern.
Des Weiteren ist eine Erhöhung der Temperatur und der Elastizität
ein Hinweis auf eine lokale Wärmeerzeugung innerhalb des
Hüllenmaterials, so dass die gemessenen Werte auch verwendet
werden können, um das Phänomen einer Ausbildung
einer heißen Stelle zu erfassen.
-
Zusammenfassung
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Eine
Lastmessvorrichtung zum Messen einer Last, die auf ein elastisch
verformbares Bauteil wirkt, ist beschrieben. Die Vorrichtung weist
einen Abstandsensor zum Messen einer Längenänderung in
Erwiderung auf eine Verformung des verformbaren Bauteils unter der
zu messenden Last auf. Der Abstandsensor weist ein Sensorelement
und ein Referenzelement auf, wobei zumindest ein Abschnitt des elastisch
verformbaren Bauteils zwischen dem Messelement und dem Referenzelement
angeordnet ist. Für eine Papierherstellung oder -Veredelung
sind zwei Bauteile, zwischen denen die Last gemessen wird, zusammenwirkende
Walzen, von denen zumindest eine mit einer elastischen Hülle
vorgesehen ist. Eine der Walzen weist das Messelement auf und die andere
Walze weist das Referenzelement auf. Alternativ sind die zwei Bauteile
eine Walze und ein zusammenwirkender Gurt, von denen zumindest eines mit
einer elastischen Hülle vorgesehen ist, wobei eines von
der Walze und dem Gurt das Messelement aufweist und das andere von
der Walze und dem Gurt das Referenzelement aufweist. Ferner können das
Messelement und das Referenzelement in ein und demselben Bauteil
ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5383371 [0004]
- - US 5562027 [0005]
- - WO 2004/102141 [0006]