DE112008002244B4

DE112008002244B4 - Bahndickenmessgerät

Info

Publication number: DE112008002244B4
Application number: DE112008002244T
Authority: DE
Inventors: Ake Hellstrom; Rambod Naimi; Michael O'Hora
Original assignee: ABB Ltd Ireland
Current assignee: ABB Ltd Ireland
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: US20090059232A1; CA2697543A1; CN101868689B; FI20135027A; US7889342B2; FI20105304A; FI127396B; CA2884632C; WO2009032094A1; US7847943B2; DE112008002244T5; CA2697543C; FI125343B; CA2884632A1; FI20135026A; FI123478B; CN101868689A; US20090059244A1; FI20155193A; US20090056156A1

Abstract

Sensor zur Überwachung der Dicke einer sich bewegenden Bahn, wobei der Sensor Folgendes umfasst: einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf mit einer ersten schwimmenden Führung mit einer durch eine ringförmige Platte definierten zentralen Apertur; einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf mit einer zweiten schwimmenden Führung mit einer durch eine ringförmige Platte definierten zentralen Apertur; eine in dem ersten Sensorkopf positionierte erste optische Sensorsonde, wobei die erste optische Sensorsonde eine erste optische Messachse, die die Distanz zu der ersten Seite der Bahn durch die zentrale Apertur der ersten schwimmenden Führung misst, und mindestens zwei zusätzliche optische Messachsen, die die Distanz zu der ringförmigen Platte der ersten schwimmenden Führung messen, umfasst; eine in dem zweiten Sensorkopf positionierte zweite optische Sensorsonde, wobei die zweite optische Sensorsonde eine erste optische Messachse, die die Distanz zu der zweiten Seite der Bahn durch die zentrale Apertur der zweiten schwimmenden Führung misst, und mindestens zwei zusätzliche optische Messachsen, die die Distanz zu der ringförmigen Platte der ersten schwimmenden Führung messen, umfasst; wobei die zusätzlichen Messachsen die jeweilige Neigung jeder schwimmenden Führung messen.

Description

Querverweis auf eine verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung, lfd. Nr. 60/969,373, registriert am 31.8.2007 mit dem Titel „Web Thickness Measurement Device”, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme vollständig verwendet und erwähnt werden, und der Nutzen der Priorität unter 35 U. S. C. 119(e) wird hiermit beansprucht.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Messsysteme und insbesondere die kontaktlose Messung kontinuierlicher Bahnen.
Stand der Technik
Blattmaterialien wie Papier werden in dünnen kontinuierlichen Bahnen produziert und erfordern hochgenaue Messung und Steuerung der Dicke bzw. Stärke. Diese Messungen werden gewöhnlich mittels Sensoren erreicht, die die Bahn auf der Ober- und Unterseite physisch kontaktieren. Außerdem wurden verschiedene kontaktlose Sensoren entwickelt, die voll kontaktlos (kein physischer Kontakt) sein können, oder Sensoren, die das Blatt nur auf einer Seite physisch kontaktieren.
Die Geschwindigkeit von Papierherstellungsmaschinen hat mit der Zeit drastisch zugenommen, während die Bahnmaterialien aus Gründen der Prozesswirtschaftlichkeit dünner und billiger geworden sind. Dieser Übergang in der Industrie hat die naturgemäßen Beschränkungen von kontaktierenden Sensoren hervorgehoben, die die Bahn ritzen, kratzen oder anderweitig beschädigen. Insbesondere besteht bei Sensoren, die das Blatt gleichzeitig von beiden Seiten kontaktieren, das Risiko des Einklemmens von Blättern, die Klumpen oder Defekte enthalten, was dazu führt, dass die Sensoren Löcher oder sogar Blattzerreißen bei dünnen Papierqualitäten verursachen. Kontaktlose Sensoren sind insofern vorteilhaft, als sie die Risiken einer solchen Beschädigung minimieren. Ferner entfallen bei kontaktlosen Sensoren Probleme in Bezug auf Schmutzansammlung und Abnutzung, die Messungenauigkeiten verursachen können und dadurch zu häufiger Wartung führen.
Existierende kontaktlose Dickesensorlösungen umfassen einseitige und doppelseitige Luftlager mit magnetischer Distanzmessung, einseitige und doppelseitige Lasertriangulatoren mit magnetischer Distanzmessung sowie andere Hilfseinrichtungen zur Verbesserung der Sensorgenauigkeit und zur Stabilisierung der sich bewegenden Bahn.
Ein konkreter Nachteil bei vorbekannten kontaktlosen Einrichtungen sind die Probleme in Bezug auf Lichtdurchdringung. Das meiste Papier weist einen gewissen Grad von Lichtdurchlässigkeit auf, wodurch es schwierig wird, die äußere Oberflächenposition durch traditionelle optische Mittel zu bestimmen. Cellulosefasern sind relativ klar und von dem Blatt reflektiertes Licht strahlt nicht streng von der Blattoberfläche, sondern auch von tieferen Bereichen in dem Papier. Dies führt häufig zu optisch gemessenen Dickewerten, die zu niedrig sind. Die Verwendung einer Lasermessung kann deshalb eine Papierbahn dünner als die wahre Dicke erscheinen lassen. Diese Fehler können signifikant sein, und abhängig von der Papierqualität kann eine Lasermessung optische Dickemessungen erzeugen, die nur 50% des tatsächlichen Werts betragen. Korrekte Messungen werden typischerweise nur dann erreicht, wenn das gemessene Blatt beschichtet ist oder andernfalls eine sehr dichte und lichtundurchlässige Oberfläche aufweist. Keine der derzeitigen kontaktlosen Sensorlösungen bieten somit eine akzeptable Genauigkeit für den größten Teil der Papierqualitäten und sind desweiteren oft kompliziert zu entwerfen und unzuverlässig.
Es wird deshalb in der Technik eine Bahnmesseinrichtung benötigt, die genaue Messungen auch dann liefert, wenn die sich bewegende Bahn von einer teilweise durchscheinenden Beschaffenheit ist, wie etwa Papier.
Aus der DE 10 2006 026 775 A1 ist eine Messeinrichtung bekannt, die einen Sensorkopf mit Objektivlinse mit axialem Chromatismus sowie einen Spektografen aufweist, der dafür ausgelegt ist, die Spektralbreite des reflektierten Signals zu messen.
In der DE 10 2005 002 351 A1 ist ein Sensor mit zwei Sensorköpfen mit axialem Chromatismus oberhalb und unterhalb einer Bahn beschrieben, die schwimmend geführt sind und jeweils ein Kallibrationsfenster aufweisen.
Weiterhin ist aus der DE 197 13 362 A1 bekannt, die Spektralbreite des reflektierten Lichts zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften heranzuziehen.
Aus der US 2005/0157314 A1 ist ein Sensor mit zwei Sensorköpfen oberhalb und unterhalb einer Bahn und einer ringförmigen Induktivität sowie einer gegenüber befestigten Zielplatte zur Messung der Distanz entnehmbar.
In der US 2003/0024301 A1 ist Induktivitäten und Ferritschalenkerne zur genauen Messung sowie Saugschlitze, die ein Teil der Kontaktierungsplatte sind, offenbart.
Aus der US 2006/0152231 A1 ist bekannt, Sensoren mit axialem Chromatismus zur schnellen und genauen Messung zu verwenden.
Schließlich ist aus der US 2007/0145307 A1 eine Einrichtung zur Bestimmung der Stärke von Papierbahnen bekannt, bei sich zwei Sensoren in derselben Ebene gegenüberstehen.
Kurzfassung der Erfindung
Im Allgemeinen wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Sensor zur Überwachung der Dicke einer sich bewegenden Bahn bereitgestellt. Der Sensor umfasst einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf, einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf, eine in dem ersten Sensorkopf positionierte Induktivität mit einem Ferritschalenkern und einer Wicklung, eine an dem zweiten Sensorkopf befestigte Kontaktierungsplatte, die dafür ausgelegt ist, die zweite Seite der sich bewegenden Bahn zu kontaktieren, eine in der Nähe der Kontaktierungsplatte befestigte Zielplatte, wobei die Induktivität dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der Zielplatte zu messen, und eine in dem ersten Sensorkopf positionierte optische Sensorsonde mit einer Objektivlinse mit axialem Chromatismus, wobei der optische Sensor dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der ersten Seite der sich bewegenden Bahn unter Verwendung von konfokaler chromatischer Aberration zu messen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Sensor zur Überwachung der Dicke einer sich bewegenden Bahn einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf mit einer optischen Messeinrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der sich bewegenden Bahn zu messen, einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf, eine in dem ersten Sensorkopf positionierte Induktivität mit einem Ferritschalenkern und einer Wicklung, eine an dem zweiten Sensorkopf befestigte Kontaktierungsplatte, die dafür ausgelegt ist, die zweite Seite der sich bewegenden Bahn zu kontaktieren, eine in der Nähe der Kontaktierungsplatte befestigte Ferritzielplatte, wobei die Induktivität dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der Zielplatte zu messen, und einen an dem zweiten Sensorkopf positionierten optischen Bezugskörper zentral der Kontaktierungsplatte und in axialer Ausrichtung mit der optischen Messeinrichtung, wobei der optische Bezugskörper näher bei dem ersten Sensor als bei der Kontaktierungsplatte positioniert ist. Der Ferritschalenkern und die Ferritzielplatte können als Alternative auch an ausgetauschten Positionen zwischen dem ersten Sensorkopf und dem zweiten Sensorkopf angeordnet werden, so dass sich das Ferritziel in demselben Kopf wie die optische Messeinrichtung befindet und sich die Induktivität in demselben Kopf wie das optische Ziel befindet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Überwachen der Dicke einer sich bewegenden Bahn einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf mit einer ersten schwimmenden Führung, einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf mit einer zweiten schwimmenden Führung, eine in dem ersten Sensorkopf positionierte erste optische Sensorsonde und eine in dem zweiten Sensorkopf positionierte zweite optische Sensorsonde, wobei jede optische Sensorsonde eine Objektivlinse mit einem axialen Chromatismus umfasst, wobei der erste optische Sensor dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der ersten Seite der sich bewegenden Bahn unter Verwendung von konfokaler chromatischer Aberration zu messen, und der zweite optische Sensor dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der zweiten Seite der sich bewegenden Bahn unter Verwendung von konfokaler chromatischer Aberration zu messen, und wobei die erste und die zweite schwimmende Führung eine zentrale Apertur umfassen, durch die die jeweilige optische Sonde die sich bewegende Bahn betrachtet, wobei in jeder zentralen Apertur ein Kalibrationsfenster positioniert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Sensor zum Überwachen der Dicke einer sich bewegenden Bahn einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf mit einer ersten schwimmenden Führung mit einer durch eine ringförmige Platte definierten zentralen Apertur, einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf mit einer zweiten schwimmenden Führung mit einer durch eine ringförmige Platte definierten zentralen Apertur, eine in dem ersten Sensorkopf positionierte erste optische Sensorsonde, wobei die erste optische Sensorsonde eine erste optische Messachse, die die Distanz zu der ersten Seite der Bahn durch die zentrale Apertur der ersten schwimmenden Führung misst, und mindestens zwei zusätzliche optische Messachsen, die die Distanz zu der ringförmigen Platte der ersten schwimmenden Führung messen, umfasst, eine in dem zweiten Sensorkopf positionierte zweite optische Sensorsonde, wobei die zweite optische Sensorsonde eine erste optische Messachse, die die Distanz zu der zweiten Seite der Bahn durch die zentrale Apertur der zweiten schwimmenden Führung misst, und mindestens zwei zusätzliche optische Messachsen, die die Distanz zu der ringförmigen Platte der ersten schwimmenden Führung messen, umfasst, wobei die zusätzlichen Messachsen die jeweilige Neigung jeder schwimmenden Führung messen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Überwachen der Dicke einer sich bewegenden Bahn einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf, einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf, eine in dem ersten Sensorkopf positionierte magnetische Messeinrichtung, eine an dem zweiten Sensorkopf befestigte Kontaktierungsplatte, die dafür ausgelegt ist, die zweite Seite der sich bewegenden Bahn zu kontaktieren, eine in der Nähe der Kontaktierungsplatte befestigte Zielplatte, wobei die magnetische Messeinrichtung dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der Zielplatte zu messen, und eine in dem ersten Sensorkopf positionierte optische Sensorsonde mit einer Objektivlinse mit einem axialen Chromatismus, wobei der optische Sensor mehrere Messachsen umfasst, wobei jede Messachse lateral versetzt und dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der ersten Seite der sich bewegenden Bahn unter Verwendung von konfokaler chromatischer Aberration zu messen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Sensor zum Überwachen der Dicke einer sich bewegenden Bahn einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf, einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf, eine in dem ersten Sensorkopf positionierte erste optische Sensorsonde, die dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der ersten Seite der sich bewegenden Bahn zu messen, eine in dem zweiten Sensorkopf positionierte zweite optische Sensorsonde, die dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der zweiten Seite der sich bewegenden Bahn zu messen, mindestens eine an dem ersten Sensorkopf befestigte Führungsschiene, die Luft nach unten auf die Bahn richtet, einen Peripherieschlitz an dem zweiten Sensorkopf, durch den Luft nach oben auf die Bahn gerichtet wird, wobei sich der Peripherieschlitz einwärts der mindestens einen Führungsschiene befindet.
Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine teilweise schematische Schnittansicht eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Schnittansicht der Zielplatte und eine Vorderansicht des optischen Bezugskörpers;
3 zeigt eine Schnittansicht der Zielplatte und des optischen Bezugskörpers;
4 zeigt eine Draufsicht der Kontaktierungsplatte, der Zielplatte und des optischen Bezugskörpers;
5 zeigt eine Schnittansicht eines Sensor gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A zeigt eine Vorderansicht der Zielplatte der Ausführungsform von 5;
5B zeigt eine Vorderansicht des ersten Sensorkopfs mit einer Luftlageranordnung;
5C zeigt eine Vorderansicht des ersten Sensorkopfs mit einer alternativen Luftlageranordnung;
6 zeigt eine Schnittansicht eines Sensors gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Sensors von 6;
8 zeigt eine teilweise schematische Schnittansicht des Sensors von 6;
9 zeigt eine vergrößerte Ansicht der schwimmenden Führung in der Nähe der Bahn;
10 zeigt eine Schnittansicht eines Sensors gemäß einer dritten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11A zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines faseroptischen Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung;
11B zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines faseroptischen Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung;
11C zeigt eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines faseroptischen Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 zeigt eine Draufsicht der Bahn und Darstellungen der Oberflächenabdeckung unter Verwendung des faseroptischen Kabels von 11B oder 11C.
13 zeigt einen 2D-Abbildungsspektrographen;
14 zeigt eine seitliche Schnittansicht aus der Nähe der Oberfläche einer Bahn;
15A zeigt einen Entfernungsgraphen, der die Oberfläche einer sich langsam bewegenden Bahn repräsentiert;
15B zeigt einen Spektralgraphen, der einen Punkt auf der sich langsam bewegenden Bahn repräsentiert;
16A zeigt einen Entfernungsgraphen, der die Oberfläche einer sich schnell bewegenden Bahn repräsentiert; und
16B zeigt einen Spektralgraphen, der einen Punkt auf der sich schnell bewegenden Bahn repräsentiert.
Ausführliche Beschreibung
Mit Bezug auf 1 ist eine Banddicke-Messeinrichtung (im Folgenden Einrichtung 10) gezeigt und wird allgemein mit der Bezugszahl 10 gekennzeichnet. Die Einrichtung 10 kann in einer Bahnherstellungs-Prozesslinie, z. B. einer Papierherstellungs-Linie, installiert und verwendet werden. Wenn sie installiert ist, wird die Einrichtung 10 in dichter Nähe einer sich bewegenden Bahn 12 positioniert, um diese zu messen. Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere für Papierherstellungsanwendungen nützlich ist, kann die Einrichtung 10 verwendet werden, um eine beliebige Art von kontinuierlich produzierter Bahn zu messen. Ferner können eine oder mehrere Einrichtungen 10 an einem beliebigen Punkt entlang dem kontinuierlichen Bahnherstellungsprozess positioniert werden, um die Bahndicke an mehreren Punkten in dem Prozess kontinuierlich zu messen.
Die Bahn 12 kann sich mit hohen Geschwindigkeiten durch die Einrichtung 10 in der Maschine in Richtung D bewegen. In dem Beispiel, bei dem die Bahn 12 ein Papierprodukt ist, können die Produktionsliniengeschwindigkeiten bei der Papierherstellung 100 km/h oder mehr erreichen. Die Einrichtung 100 kontaktiert eine untere Oberfläche 14 der Bahn 12, während eine obere Oberfläche 16 nicht kontaktiert und optisch gemessen wird. Zwei gegenüberliegende Sensorköpfe wirken zusammen, um die Dicke oder Stärke der Bahn 12 zu messen. Über der oberen Oberfläche 16 ist ein erster Sensorkopf 18 positioniert und kontaktiert die Bahn 12 nicht. Ein zweiter Sensorkopf 20 kontaktiert die Bahn 12 auf der unteren Oberfläche 14 und dient, wie ersichtlich werden wird, als Bezugspunkt für die Messeinrichtungen in dem ersten Kopf 18.
Der erste Kopf 18 umfasst eine optische Entfernungssensorsonde 22, die ein Verfahren der konfokalen chromatischen Aberration verwendet, um die Distanz von der Sonde zu der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12 zu bestimmen. Die Sonde 22 umfasst eine Objektivlinse 24 mit axialem Chromatismus, der sich aus der Variation des Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge ergibt. Wenn eine solche Linse einer Punktquelle von weißem Licht mit breitem Spektrum (wie etwa aus einem faseroptischen Kabel) ausgesetzt wird, produziert sie ein Kontinuum von entlang der optischen Achse A verteilten monochromatischen Bildpunkten. Wenn eine Oberfläche der gemessenen Probe, im vorliegenden Fall der Bahn 12, die Messachse A an dem Punkt M schneidet, wird ein singuläres monochromatisches Punktbild bei M fokalisiert. Aufgrund der konfokalen Konfiguration wird nur die Wellenlänge λ_M (durch das faseroptische Kabel) mit hoher Effizienz zu dem Spektrometer zurückgeleitet, weil alle anderen Wellenlängen defokussiert sind. Wenn die Bahn 12 durch eine oder mehrere transparente dünne Schichten hindurch betrachtet wird, reflektiert jede Grenzfläche zwischen angrenzenden Schichten Licht mit einer verschiedenen Wellenlänge und das Spektrum des detektierten Lichts besteht aus einer Reihe von Spektralspitzen. Solche Sonden werden so konfiguriert und kalibriert, dass jede Spektralspitze eine spezifische Distanz von der Sonde angibt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kommunizieren eine Lichtquelle und der optische Spektrograph 26 durch ein faseroptisches Kabel 30 mit der Linse 24. Weißes Licht breitet sich durch das Kabel 30 aus, wird durch die Objektivlinse 24 und auf die Bahn 12 gerichtet. Das reflektierte Licht, das zu dem faseroptischen Kabel 30 zurück fokussiert wird, entspricht der Wellenlänge bei dieser spezifischen Distanz von der Linse 24. Alle anderen Wellenlängen werden defokussiert sein. Der Spektrograph 26 produziert eine Distanzmessung 32, die die Distanz von der Sonde 22 zu der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12 repräsentiert.
Der erste Sensorkopf 18 umfasst einen zweiten Entfernungsmesssensor in Form einer Induktivität 33 mit einem Ferritschalenkern 34 und einer Wicklung 36. Der Kern 34 ist ringförmig und koaxial mit der Linse 24, wodurch eine Mittenapertur 38 definiert wird, die einen optischen Weg zwischen der Linse 24 und der Bahn 12 bereitstellt.
Es ist wichtig, die relativen Distanzen zwischen der Induktivität 33 und der Sonde 22 zu kennen, und somit wird der Ferritschalenkern 34 von der Sonde 22 durch ein Abstandsglied 40 beabstandet, dessen Größe genau bekannt ist, so dass die exakte Distanz zu der Linse 24 bekannt ist. Die Induktivität 33 misst magnetisch die Distanz zu einer Ferritzielplatte 42 in dem zweiten Sensorkopf 20, der sich in physischem Kontakt mit der unteren Oberfläche 14 der Bahn 12 befindet. Die Induktanz wird durch die elektronische Einheit 46 in eine Entfernungsmessung 44 umgewandelt. Obwohl das auf Ferrit basierende Induktivitätssystem vorteilhafterweise eine genauere Entfernungsmessung gewährleisten kann, können auch vorbekannte Wirbelstromsysteme in der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Ferner versteht sich, dass der erste und der zweite Kopf 18 und 20 permanent in einem vorbestimmten Abstand fixiert werden können. In solchen Fällen kann die magnetische Messung zwischen den Köpfen 18 und 20 unnötig sein.
Die Bahndicke wird somit durch Berechnen der Differenz zwischen der induktiven Sensorentfernungsmessung 44 (plus der Höhe des Abstandsglieds 40) und der optischen Sensormessung 32 bestimmt.
Der zweite Sensorkopf 20 umfasst eine Kontaktierungsplatte 60, in der die Ferritzielplatte 42 anwesend ist. Die Kontaktierungsplatte 60 umfasst mehrere Saugschlitze 62, die mit einer unter der Kontaktierungsplatte 60 positionierten Unterdruckkammer 63 kommuniziert. Ein Unterdruckgenerator 64 zieht Luft aus der Unterdruckkammer 63, wodurch effektiv Luft durch die Saugschlitze 62 in die Kammer 63 gezogen wird. Bei einer Ausführungsform kann der Unterdruckgenerator 64 ein Venturi-Unterdruckgenerator sein, der mit komprimierter Luft arbeiten kann. Die Kontaktierungsplatte 60 kann auch einen optischen Bezugskörper 66 tragen, der mit der Linse 24 koaxial ist.
Genaue Messungen erfordern eine Kalibration der magnetischen Distanzmessung 32 zwischen der Induktivität 33 und der Zielplatte 42 im Vergleich zu der optischen Distanzmessung 44 zwischen der Sensorsonde 22 und dem optischen Bezugskörper 66. In dem zweiten Sensorkopf 20 ist ein Linearbewegungsstellglied 68 enthalten und dient zur Kalibration und auch zur vertikalen Justierung, um die beste Betriebsdistanz bzw. -lücke zu erhalten. Das Linearbewegungsstellglied 68 kann sich an einem Rahmen 69, der die Kontaktierungsplatte 60, die Zielplatte 42 und den Bezugskörper 66 trägt, herauf- oder herunterbewegen. Wie in der Technik bekannt ist, können Linearbewegungsstellglieder wie etwa mit einer Leitspindel ausgestattete Schrittmotoren oder piezoelektrische Linearpositionierungsglieder den Rahmen 69 mit einem hohen Genauigkeitsgrad zuverlässig um eine bekannte Distanz bewegen.
Die Kalibration kann durchgeführt werden, wenn die Bahn 12 nicht anwesend ist. Das Stellglied 68 kann den Referenzkörper 66 zusammen mit der Zielplatte 42 zu mehreren Positionen bewegen. Die resultierenden Antworten aus den optischen und magnetischen Signalen können dann verglichen werden. Die magnetische Lückenmessung 44 kann dann unter Verwendung des optischen Sensors 22 für eine Bezugsentfernungsmessung kalibriert werden. Anders ausgedrückt, kann erzwungen werden, dass die magnetische Messung an jedem Messpunkt gleich der optischen Messung ist. Dabei wird die Vorkalibration des optischen Sensors als Master-Messung der Bewegung benutzt und diese Bewegung des exakt selben Betrags übersetzt, um den magnetischen Sensor zu kalibrieren. Die Kalibration kann zum Beispiel eine feinschrittige Linearbewegung um eine Gesamtentfernung von 3 mm umfassen, während die optischen und magnetischen Sensorsignale alle 0,01 mm der Bewegung gelesen werden. Auf diese Weise kann periodisch eine kontinuierliche Kalibrationskurve bestimmt werden, um verschiedene Probleme wie Drift, physische Abnutzung und Fehlausrichtung zu korrigieren.
Solange sich die Bahn 12 nicht in engem Kontakt mit dem Bezugskörper 66 befindet, werden fehlerhafte Dickemessungen auftreten. Dies ist aufgrund der sehr hohen Bewegungsgeschwindigkeit der Bahn in vielen Bahnherstellungsmaschinen ein Problem. Zum Beispiel erfährt die Bahn 12 bei hohen Geschwindigkeiten oft aerodynamische und zugdynamische Blattvibrationen, Knitter und Wellen.
Mit Bezug auf 2–4 ist eine ausführlichere Ansicht der Kontaktierungsplatte 60 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass bei einer Ausführungsform der optische Bezugskörper 66 in einer bekannten Distanz e etwas über der Ferritzielplatte 42 positioniert werden kann. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich der optische Bezugskörper 66 um bis zu 0,5 mm über die obere Oberfläche der Zielplatte 42. Diese Anordnung ermöglicht einen engeren Kontakt der Bahn 12 gegen den optischen Bezugskörper 66 an dem Punkt der optischen Messung aufgrund einer lokalen Streckung.
Die mehreren Saugschlitze 62 ziehen die Bahn 12 weiter in Richtung der Kontaktierungsplatte 60. Die sich in der Richtung D bewegende Bahn 12 kann vorteilhafterweise mehreren Saugschlitzen 60 unterzogen werden, bevor sie über den Bezugskörper 66 verläuft. Die Saugschlitze 60 kombinieren sich in Verbindung mit dem erhöhten Bezugskörper 66, um einen verbesserten Bahnkontakt mit dem Bezugskörper 66 bereitzustellen. Die Bahn 12 muss zum Beispiel über drei verschiedene Saugzonen 70a, 70b und 70c gleiten, bevor sie den Bezugskörper 66 erreicht, an dem die Messung stattfindet. Sogar bei hohen Geschwindigkeiten hilft dies dabei, eine Störung der Messungen durch Grenzschichtluft zu beseitigen.
Wie in 4 zu sehen ist, bewegt sich die Bahn 12 in der Richtung D über die Kontaktplatte 60. Die äußersten Saugschlitze 62 erstrecken sich nach außen in einem Winkel α von der Maschinenrichtung D. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Winkel α fünfundzwanzig (25) Grad. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Winkel α insbesondere bei Verwendung in Maschinen mit sehr hoher Geschwindigkeit von eins (1) bis fünf (5) Grad betragen. Dieser flache Winkel wirkt, um die Bahn 12 in der Maschinenquerrichtung zu strecken, um Fluktuationen und Knitter zu beseitigen. Ferner stellen die mehreren Saugzonen 70a, 70b und 70c sicher, dass keine Saugkraft verloren geht, wenn in der Nähe des Rands der Bahn 12 gemessen wird. Es versteht sich, dass andere Sauganordnungen verwendet werden können, darunter zum Beispiel konzentrische ringförmige Schlitze oder andere Muster wie etwa mehrfache Löcher.
Die Kontaktierungsplatte 60, die Ferritzielplatte 42 und der optische Bezugskörper 66 bestehen aus sehr glatten, reibungsarmen und abnutzungsbeständigen Materialien. Die obere Oberfläche des Bezugskörpers 66 kann aus einer Festkeramik, Saphir, synthetischem Diamant oder dergleichen bestehen. Die Ferritzielplatte 42 und die Kontaktplatte 60 können eine glatte Beschichtung, wie zum Beispiel Diamantfilm, plasmaaufgesprühte und polierte Keramik oder eine dünne Keramiksaphirabdeckung, die nachträglich maschinenbearbeitet und poliert wird, umfassen. Die Ferritzielplatte 60 und die Induktivität 33 können auch mit ausgetauschten Orten zwischen dem ersten Sensorkopf 82 und dem zweiten Sensorkopf 84 angebracht werden.
Nunmehr mit Bezug auf 5 ist eine alternative Ausführungsform eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt und wird allgemein mit der Bezugszahl 80 gekennzeichnet. Der Sensor 80 ist dafür ausgelegt, die Bahndicke ohne jeglichen direkten Kontakt mit jeder Seite der Bahn 12 zu messen.
Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann der Sensor 80 in dichter Nähe einer sich bewegenden Bahn 12 positioniert werden. Die Bahndicke oder -stärke wird mittels eines ersten Sensorkopfs 82, der die Bahn 12 nicht kontaktiert, und eines gegenüberliegenden zweiten Sensorkopfs 84, der die Bahn 12 auch nicht kontaktiert, gemessen. Es versteht sich, dass, obwohl die Sensorköpfe als kontaktlos beschrieben werden, ein gelegentlicher Kontakt zwischen der Bahn 12 und den Sensorköpfen auftreten kann. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung bedeutet kontaktlos, dass die Messungen selbst keinen physischen Kontakt zwischen der Bahn 12 und jeglichen der Sensorköpfe erfordern.
Der erste Kopf 82 umfasst eine optische Entfernungssensorsonde 86, die das Verfahren der konfokalen chromatischen Aberration verwendet, um die Distanz zu der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12 zu bestimmen. Die Sonde 86 umfasst eine Objektivlinse 88, die den Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge variiert. Eine Lichtquelle und ein optischer Spektrograph (nicht gezeigt) kommunizieren durch ein faseroptisches Kabel 94 mit der Linse 88. Die Sensorsonde 86 gibt eine Distanzmessung aus, die die Distanz von der Linse 88 zu der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12 repräsentiert.
Der erste Sensorkopf 82 umfasst ferner eine Induktivität 98 mit einem Ferritschalenkern 100 mit einer Wicklung 102. Der Kern 100 ist ringförmig und definiert eine Mittenapertur 104, die einen optischen Weg zwischen der Linse 88 und der Bahn 12 bereitstellt. Es ist wichtig, die relativen Distanzen zwischen der Induktivität 98 und der Sonde 86 zu kennen, und somit wird der Ferritschalenkern 100 von der Sonde 86 durch ein Abstandsglied 106 beabstandet, dessen Größe genau bekannt ist, so dass die exakte Distanz zu der Linse 24 bekannt ist. Die Induktivität 98 ist koaxial mit der Linse 88 und wird benutzt, um die Distanz zu einer Ferritzielplatte 108 in dem zweiten Sensorkopf 84 magnetisch zu messen. Die Induktanz wird durch eine elektronische Einheit (nicht gezeigt) in eine Entfernungsmessung umgewandelt. Wie bei der vorherigen Ausführungsform können die Induktivität 98 und die Zielplatte 108 umgewechselt werden, wobei sich die Zielplatte in dem ersten Kopf 82 befindet und die Induktivität in dem zweiten Kopf 84 positioniert ist. Es können auch andere magnetische Messverfahren verwendet werden.
Der zweite Kopf 84 umfasst außerdem eine optische Entfernungssensorsonde 114, die ein Verfahren der konfokalen chromatischen Aberration verwendet, um die Distanz zu der unteren Oberfläche 14 der Bahn 12 zu bestimmen. Die Sonde 114 umfasst eine Objektivlinse 116, die den Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge variiert. Die Sonde 114 betrachtet die untere Oberfläche 14 der Bahn 12 durch eine Apertur 115 in der Zielplatte 108. Um Fehler zu minimieren, ist die optische Achse der zweiten Sonde 114 vorteilhafterweise koaxial mit der optischen Achse der ersten Sonde 86. Anders ausgedrückt, wird sowohl auf der unteren Oberfläche 14 als auch auf der oberen Oberfläche 16 derselbe Punkt auf der Bahn 12 gemessen. Eine Lichtquelle und ein optischer Spektrograph (nicht gezeigt) kommunizieren durch ein faseroptisches Kabel 122 mit der Linse 116. Die Sensorsonde 114 liefert eine Distanzmessung, die die Distanz von der Linse 116 zu der unteren Oberfläche 14 der Bahn 12 repräsentiert.
Durch Messen der Distanz zwischen jedem Sensorkopf 82 und 84 durch die Induktivität 98 und Messen der Distanz jeder Sonde 86 und 114 zu der Oberseite 16 und Unterseite 14 der Bahn 12 durch die konfokalen Linsen 88 und 116 kann somit die Dicke der Bahn 12 gemessen werden.
Der Sensor 80 umfasst eine Luftlageranordnung 126, die zur Stabilisierung und Verflachung der sich bewegenden Bahn 12 wirkt. Die Luftlageranordnung 126 umfasst Führungsschienen 128a und 128b, die sich in der Maschinenquerrichtung erstrecken und an gegenüberliegenden Aufwärtsstrom- und Abwärtsstromenden des ersten Sensorkopfs 82 positioniert sind. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Führungsschiene 128 kreisförmig sein und sich umfänglich um den gesamten Sensor 80 erstrecken (siehe 5c). Bei einer weiteren Ausführungsform können die Führungsschienen 128a und 128b jeweils gebogen oder gekrümmt sein. Die Führungsschienen 128 leiten komprimierte Luft durch mehrere Löcher 129 nach unten in Richtung der Bahn 12.
Der erste Kopf 82 umfasst außerdem eine Öffnung 130, die mit einer Kammer 132 kommuniziert, die sich zwischen der Linse 88 und der Bahn 12 befindet. Luft wird durch die Öffnung 130 in die Kammer 132 und durch die Apertur 104 in Richtung der Bahn 12 geleitet. Wie später besprochen werden wird, fördert dies die Entfernung von Knitter von der Bahn 12 in dem Bereich der Messung. Außerdem hilft die Evakuierung von Luft durch die Apertur 104 dabei, zu verhindern, dass Verunreinigungen in die Kammer 132 eintreten und die Linse 88 verschmutzen.
Der zweite Sensorkopf 84 umfasst eine Öffnung 134, die Kommunikation von komprimierter Luft mit einer Peripheriekammer 136 erlaubt, die einen Schlitz 138 an der Peripherie der Ferritzielplatte 108 versorgt. Der Schlitz 138 kann ringförmig sein und wird einwärts der Führungsschiene 128 positioniert und kann sich über die gesamte Peripherie der Zielplatte 108 erstrecken. Der Schlitz 138 kann abgewinkelt sein, um Luft nach oben und auswärts zu richten. Auswärts des Schlitzes 138 kann ein Ring 139 positioniert werden, der im Querschnitt von der Bahn 12 weggebogen ist. Bei einer Ausführungsform umfasst der Ring 138 ein nach oben konvexes Profil.
Die Kammer 136 kommuniziert durch einen Kanal 142 mit einer vor der Linse 116 befindlichen zentralen Kammer 140. Die Bahn 12 wird durch diese Anordnung um eine kleine Distanz über der Ferritzielplatte 108 schwimmen. Das Verhältnis von durch die Apertur 115 und den Peripherieschlitz 134 fließender Luft kann durch ein Steuerventil 144 gesteuert werden. Dieses Verhältnis sollte ausgeglichen werden, um die Bahn 12 gerade eben von der Kontaktierung des zentralen Bereichs des unteren Kopfs 84 zu heben, ohne dass die lokale Form der Bahn 12 deformiert wird. Durch die Apertur 136 strömende Luft hilft dabei, die Linse 88 sauber zu halten, und ermöglicht zusätzliche Luftlagerhebung, um die Bahn 12 ohne physischen Kontakt zu strecken.
Die Luftlageranordnung 126 streckt die Bahn 12, um Flachheit und Parallelität für optische Messung zu steuern. Führungsschienen können justiert werden, um zu erzwingen, dass die Bahn 12 in einem Zigzag- oder Serpentinenmuster in der Lücke zwischen dem ersten Sensorkopf 82 und dem zweiten Sensorkopf 83 verläuft. Diese Anordnung ist effektiv bei der Verflachung des Blatts, indem es in entgegengesetzten Richtungen gebogen wird, während es durch den Sensor verläuft. Die Bahnstreckung an dem optischen Punkt der Messung wird durch eine erhöhte Lippe 146 weiter gefördert, die an der die Apertur 115 umgebenden Zielplatte 108 angebracht ist und eine geringfügige Anhebung in der Bahn in dem Bereich der optischen Messung fördert. Die Lippe 146 kann aus einem glatten nichtmagnetischen und nichtgleitfähigen Material bestehen, so dass sie die magnetischen Messungen nicht stört.
Nunmehr mit Bezug auf 6 und 7 ist eine zweite alternative Ausführungsform eines Sensors gezeigt und wird allgemein mit der Bezugszahl 150 gekennzeichnet. Wie bei der oberbeschriebenen Ausführungsform kann der Sensor 150 in dichter Nähe einer sich in der Richtung D bewegenden Bahn 12 positioniert werden. Die Bahndicke bzw. die Bahnstärke wird mittels eines ersten Sensorkopfes 152, der die Bahn 12 nicht kontaktiert, und eines zweiten Sensorkopfs 154, der die Bahn 12 auch nicht kontaktiert, gemessen.
Der erste Kopf 152 umfasst eine optische Entfernungssensorsonde 156, die ein Verfahren der konfokalen chromatischen Aberration verwendet, um die Distanz zu der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12 zu bestimmen. Die Sonde 156 umfasst eine Objektivlinse 158, die den Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge variiert. Eine Lichtquelle und ein optischer Spektrograph (nicht gezeigt) kommunizieren durch ein faseroptisches Kabel 160 mit der Linse 158. Die Sensorsonde 156 misst die Distanz von der Linse 158 zu der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12.
Der erste Sensorkopf 152 umfasst ferner eine erste schwimmende Führung 162, die auf einem Luftkissen über der Bahn 12 schwebt. Die schwimmende Führung 162 kann ein Körper mit Rotationssymmetrie sein, um Symmetrie und parallele Hebung des Luftkissens sicherzustellen. Die Führung 162 umfasst eine Induktivität 164 mit einem ringförmigen Ferritschalenkern 166 mit einer Wicklung 168. Der Kern 166 definiert eine Mittenapertur 170, in der ein dünnes Fenster 171 positioniert ist. Das Fenster 171 kann ein transparentes oder halbtransparentes Material sein. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen besteht das Fenster 171 aus Glas oder Saphir. Die Induktivität 164 wird benutzt, um magnetisch die Distanz zu einer Ferritzielplatte 172 in einer zweiten schwimmenden Führung 174 zu messen. Die Induktanz wird durch eine elektronische Einheit (nicht gezeigt) in eine Entfernungsmessung umgewandelt.
Die erste schwimmende Führung 162 umfasst einen äußeren Körper 176, der eine innere Kammer 178 bildet. Ein Kragen 180 erstreckt sich nach oben von dem Körper 176 und wird in einer Bohrung 182 aufgenommen. Ein sphärischer Teil 184 erstreckt sich radial nach außen von dem Kragen 180 mit einem kleinen Abstand zu der Bohrung 182 und durch eine kleine Menge austretender Luft, wodurch ein reibungsfreies Luftlager um den sphärischen Teil 184 herum gebildet wird, um eine freie Winkel- und Axialartikulation der Führung 162 in der Bohrung 182 zu erlauben. Die reibungsfreie Aufhängung gestattet zusammen mit pneumatischen Kraftausgleich, dass die Führung 162 eine Gleichgewichtsposition parallel zu der oberen Oberfläche der Bahn 12 und in einer relativ konstanten Distanz von dieser erzielt. Komprimierte Luft wird durch eine Öffnung 186 in dem ersten Kopf 152 empfangen. Die Luft wird danach durch den durch den Kragen 180 gebildeten Einlass zu der Kammer 178 kommuniziert. Mehrere beabstandete Löcher oder sich umfänglich erstreckende Schlitze 188 befinden sich auf der unteren Oberfläche 190 des Körpers 176, so dass die komprimierte Luft nach unten auf die Bahn 12 gerichtet wird. Auf diese Weise wird die erste Führung 162 auf selbstjustierende Weise über der Bahn 12 gehalten.
Der zweite Kopf 154 umfasst eine axial mit der Sonde 156 ausgerichtete optische Entfernungssensorsonde 192, die ein Verfahren der konfokalen chromatischen Aberration verwendet, um die Distanz zu der unteren Oberfläche 14 der Bahn 12 zu bestimmen. Die Sonde 192 umfasst eine Objektivlinse 194, die den Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge variiert. Die Sonde 192 betrachtet die untere Oberfläche 14 der Bahn 12 durch ein zentral auf der Zielplatte 172 angeordnetes Fenster 196. Das Fenster 196 kann ein transparentes oder halbtransparentes Material sein. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen besteht das Fenster 196 aus Glas oder Saphir. Eine Lichtquelle und ein optischer Spektrograph (nicht gezeigt) kommunizieren durch ein faseroptisches Kabel 198 mit der Linse 194. Die Sensorsonde 192 misst die Distanz von der Linse 194 zu der unteren Oberfläche 14 der Bahn 12.
Die zweite schwimmende Führung 174 umfasst einen äußeren Körper 200, der eine innere Kammer 202 bildet. Ein sphärischer Teil 208 erstreckt sich radial nach außen von dem Kragen 204 mit einem kleinen Abstand zu der Bohrung 206, und durch eine kleine Menge austretender Luft, wodurch ein reibungsfreies Luftlager um den sphärischen Teil 208 herum gebildet wird, um eine freie Winkel- und Axialartikulation der Führung 174 in der Bohrung 206 zu erlauben. Die reibungsfreie Aufhängung gestattet zusammen mit pneumatischem Kraftausgleich, dass die Führung 174 eine Gleichgewichtsposition parallel zu der unteren Oberfläche der Bahn 12 und in einer relativ konstanten Distanz von dieser erzielt. Komprimierte Luft wird durch eine Öffnung 210 in dem zweiten Kopf 154 empfangen. Die Luft wird danach durch den durch den Kragen 204 gebildeten Einlass zu der Kammer 202 kommuniziert. Mehrere beabstandete Löcher oder Schlitze 212 befinden sich auf der oberen Oberfläche 214 des Körpers 200, so dass die komprimierte Luft von der Kammer 202 aus nach oben auf die Bahn 12 gerichtet wird. Auf diese Weise wird die zweite Führung 174 auf selbstjustierende Weise unter der Bahn 12 gehalten.
Die Entwurfsparameter der Führungen 162 und 174 sowie Luftdrücke können so gewählt werden, dass sie jeweils in einem Abstand von etwa 100 μm von der jeweiligen Oberfläche der Bahn 12 gehalten werden. Da die Führungen 162 und 174 relativ nahe bei der Bahn 12 (und folglich beieinander) gehalten werden, werden die Induktivität 164 und die Ferritzielplatte 172 ähnlich in dichter Nähe gehalten und können deshalb so entworfen werden, dass sie hochgenau sind und auch eine kleine Größe aufweisen.
Wie bereits besprochen können die Fenster 171 und 196 Glas, Saphir oder dergleichen sein und können verwendet werden, um den Sensor 150 zu kalibrieren. Bei einer Ausführungsform können die Fenster 171 und 196 einen Durchmesser von zum Beispiel 5 mm aufweisen und auf eine Dicke von 0,2 mm Präzisions-Maschinen bearbeitet werden. Wie in 7 und 8 zu sehen ist, kommen die optischen Wege 216a, 216b und 216c mit chromatischer Aberration, die fokussiert zu dem faseroptischen Kabel zurückkehren werden, von drei verschiedenen Orten; 216a wird von der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12 reflektiert, 216b wird von der unteren Oberfläche 218 des Fensters 171 reflektiert und 216c wird von der oberen Oberfläche 220 des Fensters 171 reflektiert. Ähnlich werden die chromatischen Wege der zweiten Sonde 192 von der unteren Oberfläche 14 der Bahn 12 sowie von der oberen und unteren Oberfläche 222 und 224 des Fensters 196 reflektiert.
Die Sonden 156 und 192 können gleichzeitig mehrere Oberflächenreflexionen unterscheiden und jeden Oberflächenort separat bestimmen. Durch dieses Verfahren können, während die Führungen 162 und 174 artikulieren, jede der drei Oberflächen unter Verwendung des optischen Spektrographen lokalisiert und gemessen werden. Durch Kenntnis auch der Distanz zwischen jeder Führung 162 und 174 durch Verwendung der Induktivität 164 und der Zielplatte 172 kann die Bahndicke abgeleitet werden.
Wie bereits erwähnt werden, wenn sich der optische Weg durch die Fenster 171 und 196 ausbreitet, zusätzliche Signale 216b und 216c in der optischen Entfernungsmessung erzeugt.
Nunmehr mit Bezug auf 8 ist eine beispielhafte chromatische Trennung der Spitzen in dem oberen und unteren Spektrographen 226a bzw. 226b gezeigt. Der Spektrograph 226a zeigt drei Spitzen für die drei optischen Grenzflächen g₁, g₂ und D_top für die obere Einrichtung und g₃, g₄ und D_bot für die untere Einrichtung 226b. Da die Fensterdicke genau gemessen werden kann und da die Fensterdicke zeitlich sehr stabil ist, können diese zusätzlichen Signale g₁, g₂, g₃ und g₄ verwendet werden, um dynamisch Bahnneigung zu korrigieren. Außerdem können diese Signale verwendet werden, um die Höhe der Führungen 162 und 174 während der Messung der Bahn 12 zu bestimmen.
Die schwimmenden Führungen 162 und 174 sind frei, sich mit der sich bewegenden Bahn 12 zu bewegen und können folglich während der Messung einen variierenden Grad der Neigung erfahren. Folglich sind die optische Achse und die magnetische Achse möglicherweise nicht mehr parallel, was Messfehler verursachen kann. Mit Bezug auf 9 ist ein Verfahren zum dynamischen Korrigieren des resultierenden Fehlers, wenn die optische Achse nicht normal zu der sich bewegenden Bahn 12 ist, gezeigt. Die gemessene anscheinende Dicke t m / g1 und die tatsächliche Dicke t a / g1 des Fensters 171 werden verwendet, um die tatsächliche senkrechte Distanz d a / AB1 zwischen der Führung 162 und der sich bewegenden Bahn 12 dynamisch zu bestimmen. Da die tatsächliche Dicke t a / g1 des Glasfensters 171 bekannt (und konstant) ist, kann die gemessene Distanz zwischen der oberen und unteren Glasoberfläche 218 und 220 oder 222 und 224 verwendet werden, um den Neigungswinkel θ_AB1 und θ_AB2 der jeweiligen schwimmenden Führungen 162 und 174 zu bestimmen. Die tatsächliche Führungshöhe d a / AB1 und d a / AB2 wird dann durch die nachfolgenden trigonometrischen Schritte unter Verwendung der gemessenen Führungshöhen d m / AB1 und d m / AB2 berechnet. θ_g1 = arccos(t a / g1/t m / g1)

t a / g1: = tatsächliche Glasdicke (bekannt)
t a / g1: = gemessene Glasdicke

θ_AB1 = arcsin(nsin(θ_g1)

n: = Brechungsindex, Glas (bekannt)

d a / AB1 = d m / AB1 × cos(θ_AB1)

θ_g2 = arccos(t a / g2/t m / g2)

t a / g2: = tatsächliche Glasdicke (bekannt)
t a / g2: = gemessene Glasdicke

θ_AB2 = arcsin(n sin(θ_g2)

d a / AB2 = d m / AB2 × cos(θ_AB2)

Stärke = Lücke – (d a / AB1 + d a / AB2)

Unter Verwendung dieses Verfahrens können die Führungen 162 und 174 artikulieren, um die lokale Bahnneigung und das lokale Bahnflattern mitzuverfolgen, während immer noch genaue Messungen gewährleistet werden. Außerdem ist zu beachten, dass die gemessene Glasdicke immer größer oder gleich der tatsächlichen Dicken der Fenster sein wird. Es sollte jedoch erkannt werden, dass eine geeignete optische Dichtekorrektur erforderlich sein kann, weil ein Teil des optischen Weges durch ein anderes Medium als Luft verläuft.
Nunmehr mit Bezug auf 10 ist eine dritte alternative Ausführungsform eines Sensors gezeigt und wird allgemein mit der Bezugszahl 230 gekennzeichnet. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann der Sensor 230 in dichter Nähe einer Bahn 12 positioniert werden. Die Bahndicke bzw. die Bahnstärke wird mittels eines ersten Sensorkopfs 232, der die Bahn 12 nicht kontaktiert, und eines zweiten Sensorkopfs (nicht gezeigt), der im Allgemeinen den ersten Kopf 232 spiegelt, gemessen.
Der erste Kopf 232 umfasst eine optische Entfernungssensorsonde 234, die ein Verfahren der konfokalen chromatischen Aberration verwendet, um die Distanz zu der oberen Oberfläche 16 der Bahn 12 zu bestimmen. Die Sonde 234 umfasst eine Objektivlinse 236, die den Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge variiert. Eine Lichtquelle und ein optischer Spektrograph (nicht gezeigt) kommunizieren durch ein faseroptisches Kabel 238 mit der Linse 236.
Der erste Sensorkopf 232 umfasst ferner eine erste Führung 240, die auf einem Luftkissen über der Bahn 12 schwimmt. Die Führung 240 umfasst eine Induktivität 242 mit einem ringförmigen Ferritschalenkern 244 mit einer Wicklung 246. Der Kern 244 definiert eine Mittenapertur 248, in der eine ringförmige Platte 250 positioniert ist. Die Induktivität 242 wird benutzt, um die Distanz zu einer Ferritzielplatte (nicht gezeigt) in der zweiten Führung (nicht gezeigt) auf der gegenüberliegenden Seite der Bahn 12 magnetisch zu messen. Die Induktanz wird durch eine elektronische Einheit (nicht gezeigt) in eine Entfernungsmessung umgewandelt.
Die Führung 240 ist im Wesentlichen der Führung 162 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die ringförmige Platte 250 anstelle eines Fensters 171 in der Mittenapertur 248 positioniert ist. Dies gewährleistet eine unverdeckte Ansicht der sich bewegenden Bahnoberfläche 16 ohne ein Fenster, auf dem sich potentiell Schmutz ansammeln könnte und das regelmäßige Reinigung erfordern könnte. Bei dieser Anordnung kann die Sonde 234 mehrere Fasern (eines faseroptischen Kabels) umfassen, die optisch durch dieselbe Linse 236 schauen. Diese Fasern verwenden dieselbe Linse 236 zum Abliefern und Sammeln von Licht, weisen aber versetzte laterale Positionen auf. Zum Beispiel ist in 11A eine beispielhafte Querschnitts-Faseranordnung gezeigt, die eine zentrale Faser 252 aufweist, die die Distanz zu der Bahn 12 durch die zentrale Apertur 254 der ringförmigen Platte 250 hindurch misst, während mehrere Fasern 256 umfänglich um die zentrale Faser 252 herum beabstandet sind und die Distanz zu der ringförmigen Bezugsplatte 250 messen. Diese Messungen können verwendet werden, um die Neigung der Führung 240 zu berechnen. Da die Neigung der Führung 240 im Allgemeinen der Neigung der Bahn 12 parallel folgt, kann die gemessene Führungsneigung verwendet werden, um die gemessene Stärke der Bahn 12 dynamisch zu korrigieren. Es versteht sich, dass die Faseranordnung von 11A sowie von 11B und 11C mit einer oder mehreren der vorherigen Sensorausführungsformen verwendet werden kann.
Nunmehr mit Bezug auf 11B ist eine alternative Faseranordnung gezeigt, bei der eine Vielzahl von Fasern 256 in einer Reihe in der Maschinenquerrichtung angeordnet sind, um in dem in 12 gezeigten Muster auf das Material fokussiert zu werden. Jede einzelne Faser 256 kann durch einen Abbildungsspektrographen untersucht werden. Ein beispielhafter resultierender Graph ist in 13 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass jede Faser auf eine andere Linie über den 2D-Abbildungsspektrographen (A1...An) gerichtet ist und einzelne Entfernungen durch Signalverarbeitung bestimmt werden. Jede einzelne Spektrallinie stellt ein hochauflösendes Oberflächenprofil bereit. Die Fasern 256 können so ausgelegt werden, dass sie eine vergleichbare Breite wie die von derzeitigen Online-Stärkemessanordnungen aufweisen. Als Alternative kann die mittlere Distanz zu der Materialoberfläche aus der mittleren spektralen Verteilung an jeder Integrationsinstanz Δx geschätzt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Linie von Fasern 256 verwendet werden, um die Neigung entlang der Achse der Maschinenrichtung zu messen, so dass automatische Korrektur ermöglicht wird. Bei einer weiteren Ausführungsform können von den Fasern 256 genommene Messungen mit einer Rauigkeits-, Porositäts- oder Gängigkeitsmessung korrelieren.
Nunmehr mit Bezug auf 11C ist eine alternative Faseranordnung gezeigt, bei der die Fasern 256 so angeordnet sind, dass ein zweidimensionales Oberflächenbereichsprofil erhalten wird. Bei dieser Ausführungsform können mehrere Spektrographen separat oder kombiniert sein, um zu bewirken, dass ein 2D-Spektrograph (nicht gezeigt) die Distanz zu dem Blatt an mehr als einem Punkt (d. h. in Reihen angeordneten Pixeln) misst. Diese Anordnung bietet Messung der Entfernung sowie der Bahnneigung sowohl in der Maschinenquer- als auch in der Maschinenrichtung. Wie bereits besprochen, kann die Bahnneigung bewirken, dass die Dickemessung aufgrund der axialen optischen Entfernungen kombiniert mit etwaiger Nichtkonzentrität der beiden gegenüberliegenden optischen Sonden fehlerhaft ist. Die Messung der Bahnneigung gestattet eine Kompensation von Messfehlern. Die Fasern 256 können so ausgelegt werden, dass sie eine vergleichbare Breite wie die von derzeitigen Online-Stärkemessanordnungen aufweisen. Als Alternative kann die mittlere Distanz zu der Materialoberfläche durch Mitteln der Ausgabe jeder Faser 256 produziert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform können, solange die Oberflächenintensität hoch und die Integrationszeit sehr klein ist, von den Fasern 256 genommene Messungen mit einer 2D-Rauigkeits-, Porositäts- oder Gängigkeitsmessung korrelieren.
Nunmehr mit Bezug auf 14 ist ein Profil einer Bahn 12 mit einer rauen Oberfläche gezeigt, die durch den optischen Strahl 258 sondiert wird. Die resultierende gemessene Entfernung 260 ist in 15A gezeigt, worin die erwarteten detektierten Spektren gezeigt sind, wenn die Probe mit langsamer Geschwindigkeit bewegt wird oder wenn die Integrationszeit sehr hoch ist, um Oberflächenvariationen aufzulösen. Die Intensität einer gegebenen Wellenlänge wäre bei einer solchen Anordnung wie in 15B gezeigt vergleichsweise sehr hoch. Wenn dieselbe Oberflächenmessung bei einer schnelleren Bahngeschwindigkeit oder langsameren Integrationszeit genommen wird, ist in 16A zu sehen, dass die gemessene Distanz die gemittelte Distanz 264 ist, die durch die Sonde während der Spektrograph-Integrationszeit gemessen wird. 16B zeigt die resultierende Verbreiterung der Spektralbreite 262 aufgrund der integrierten Messung der rauen Oberfläche. Als Funktion der Integrationsdistanz und Oberflächenrauigkeit kann eine Beziehung bezüglich des Ausmaßes der Verteilung analytisch und/oder empirisch gefunden werden. Dies bietet mehrere Vorteile, die Oberflächentopographie kann als Online-Blattglattheits- oder Glanzindikator verwendet werden, und die Blattdickemessung kann in Bezug auf durch Topographie eingeführte Messfehler korrigiert werden.
Es versteht sich, dass die Beschreibung der obigen beispielhaften Ausführungsform(en) nur beispielhaft für die vorliegende Erfindung sein soll(en), und nicht erschöpfend. Durchschnittsfachleute werden in der Lage sein, bestimmte Zusätze, Weglassungen und/oder Modifikationen an der Ausführungsform bzw. den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands vorzunehmen, ohne von dem Gedanken der Erfindung oder ihrem Schutzumfang, der durch die angefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

Sensor zur Überwachung der Dicke einer sich bewegenden Bahn, wobei der Sensor Folgendes umfasst: einen auf einer ersten Seite der sich bewegenden Bahn positionierten ersten Sensorkopf mit einer ersten schwimmenden Führung mit einer durch eine ringförmige Platte definierten zentralen Apertur; einen auf einer zweiten Seite der sich bewegenden Bahn, die der ersten Seite gegenüberliegt, positionierten zweiten Sensorkopf mit einer zweiten schwimmenden Führung mit einer durch eine ringförmige Platte definierten zentralen Apertur; eine in dem ersten Sensorkopf positionierte erste optische Sensorsonde, wobei die erste optische Sensorsonde eine erste optische Messachse, die die Distanz zu der ersten Seite der Bahn durch die zentrale Apertur der ersten schwimmenden Führung misst, und mindestens zwei zusätzliche optische Messachsen, die die Distanz zu der ringförmigen Platte der ersten schwimmenden Führung messen, umfasst; eine in dem zweiten Sensorkopf positionierte zweite optische Sensorsonde, wobei die zweite optische Sensorsonde eine erste optische Messachse, die die Distanz zu der zweiten Seite der Bahn durch die zentrale Apertur der zweiten schwimmenden Führung misst, und mindestens zwei zusätzliche optische Messachsen, die die Distanz zu der ringförmigen Platte der ersten schwimmenden Führung messen, umfasst; wobei die zusätzlichen Messachsen die jeweilige Neigung jeder schwimmenden Führung messen.
Sensor nach Anspruch 1, wobei jede optische Sensorsonde eine Objektivlinse mit einem axialen Chromatismus umfasst, wobei jede optische Sensorsonde eine Lichtquelle umfasst, die durch mehrere faseroptische Kabel mit der Objektivlinse kommuniziert, wobei ein Spektrograph durch eines der faseroptischen Kabel ein reflektiertes Signal entlang jeder Messachse empfängt.
Sensor nach Anspruch 2, ferner mit einer in der ersten oder der zweiten schwimmenden Führung positionierten Induktivität und einer auf der anderen der ersten oder der zweiten schwimmenden Führung positionierten Zielplatte, wobei die Induktivität dafür ausgelegt ist, die Distanz zu der Zielplatte zu messen.
Sensor nach Anspruch 3, wobei der Spektrograph die reflektierten Signale analysiert und einen optischen Distanzwert berechnet.
Sensor nach Anspruch 1, wobei jede schwimmende Führung einen äußeren Körper umfasst, der eine innere Kammer bildet, wobei komprimierte Luft zu der Kammer kommuniziert und durch mehrere Auslässe in der Nähe der sich bewegenden Bahn evakuiert wird.
Sensor nach Anspruch 5, wobei jede schwimmende Führung einen Kragen umfasst, der sich von dem Körper erstreckt und in einer Bohrung in jedem jeweiligen Sensorkopf aufgenommen wird, wobei aus dem Kragen ein Luftlager gebildet wird, um axiale und Winkelartikulation der schwimmenden Führung zu erlauben.
Sensor nach Anspruch 6, wobei komprimierte Luft durch den Kragen zu der Kammer kommuniziert wird, auf der Oberfläche des äußeren Körpers in der Nähe der sich bewegenden Bahn mehrere beabstandete Löcher oder Schlitze angeordnet sind, so dass die komprimierte Luft aus der Kammer auf die sich bewegende Bahn gerichtet wird.