DE19802955C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Dicke einer Bahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Bahn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter Bahn ist hierbei jedes flache, bahn- oder bogenartige Material zu verstehen, beispielsweise Papierbögen, Papierbahnen oder Folien. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Messung der Dicke eines Papierstapels, um herauszufinden, aus wie vielen Einzelblättern der Stapel besteht.

Eine derartige Meßvorrichtung und ein entsprechendes Meßverfahren ist aus der EP 0 635696 B1 bekannt. Die dort gezeigte Vorrichtung besteht aus einer ortsfesten Auflagefläche und einem im wesentlichen senkrecht hierzu ortsfest angeordneten Tastsensor, der ein relativ zur Auflagefläche bewegliches, ferromagnetisches Tastorgan aufweist, welches in Abhängigkeit von seiner Stellung relativ zur Auflagefläche das Signal eines als Sensorspule ausgebildeten Meßwertgebers beeinflußt. Dabei weist der Tastsensor ein über der Auflagefläche angeordnetes Sensorgehäuse und als Tastorgan ein im wesentlichen zylindrisches Target mit einer stirnseitigen, zur Auflagefläche weisenden Tastfläche auf. Das Target ist im Sensorgehäuse axial verschiebbar geführt und weist an seiner der Tastseite abgewandten Stirnseite die Form eines Rotationsparaboloiden auf. Ferner ragt im Sensorgehäuse die Sensorspule zumindest teilweise in die Öffnung des Targets hinein. Target und Sensorspule sind koaxial zueinander angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß das Meßsignal einigermaßen linear zur Auslenkung des Tastorgans ist. Nachteilig ist allerdings der komplizierte und teuere mechanische Aufbau der Meßvorrichtung infolge der erforderlichen Paßgenauigkeit der Ausnehmungen und der kleine Meßbereich sowie die geringe Genauigkeit der Dickenmessung.

Daneben sind optoelektronische Meßtechniken bekannt, beispielsweise die sogenannte Durchlichtkontrolle, bei der das Papier eine Lichtschranke durchläuft. Diese sind zwar einfacher auswertbar als Messungen mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau, allerdings auch fehleranfällig, da sich bei verschiedenen Papiersorten oder z. B. bei bedrucktem Papier die Lichtdurchlässigkeit ändert, was wiederum zu Fehlinterpretationen des optischen Signals führt.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Bahn so auszubilden, daß bei einem einfachen mechanischen Aufbau eine zuverlässige Aussage über die Dicke der Bahn gewährleistet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10. Vorteilhafte Ausführungen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher beschrieben, welche eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung im Längsschnitt zeigt.

In der Figur ist eine Auflagefläche 1 dargestellt, die aus einem relativ harten Material, beispielsweise Metall, besteht und als Referenzfläche dient. Auf dieser Auflagefläche befindet sich die zu messende Bahn 2, welche im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Papierbahn ist und aus einem oder mehreren Bögen Papier bestehen kann. Die Bahn 2 bewegt sich in die durch den Pfeil 3 dargestellte Richtung, in der Figur also von rechts nach links.

Oberhalb der Auflagefläche 1 befindet sich ein Hebel 4, der an einem Lager 5 möglichst reibungsarm gelagert ist. An seinem einen Ende weist der Hebel 4 eine Rolle 6 auf, deren Rollenachse senkrecht zur Bewegungsrichtung 3 des Papiers 2 und parallel zur Auflagefläche 1 verläuft. Die Rolle 6 ist also so angeordnet und gelagert, daß sie auf dem sich in Pfeilrichtung 3 bewegenden Papier 2 abrollen kann. Der Hebel 4 wirkt auf einen Beschleunigungssensor 7 ein, der in an sich bekannter Weise mechanisch, optoelektronisch oder elektronisch ausgebildet sein kann und auf ihn in Vertikalrichtung wirkende Beschleunigungen mißt und in ein elektrisches Signal umformt. Das Signal dieses Beschleunigungssensors 7 wird über eine elektrische Verbindung 8, welche gestrichelt eingezeichnet ist und, zur mechanischen Entlastung des Beschleunigungssensors 7 auch drahtlos ausgeführt sein kann, zu einer Auswerteelektronik 9 übertragen und dort ausgewertet. Hierbei hat die Auswerteelektronik 9 Zugriff auf einen Datenspeicher 10, auf dessen Inhalt und Wirkungsweise im folgenden bei der Beschreibung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingegangen wird.

Im (nicht dargestellten) Ruhezustand der Vorrichtung liegt die Rolle 6 auf der Auflagefläche 1 auf und der Beschleunigungssensor 7 gibt, da er sich ebenfalls in Ruhe befindet, kein Signal ab. Bewegt sich, ausgehend von diesem Ruhezustand, eine aus mehreren Blättern Papier bestehende Papierbahn 2 auf der Auflagefläche 1 in Pfeilrichtung 3, also von rechts nach links, so erreicht die Vorderkante 11 der Papierbahn 2 in einem bestimmten, in der Figur dargestellten Augenblick die Rolle 6. Diese wird ruckartig angehoben und rollt über die Vorderkante 11 der Papierbahn 2 ab, um dann bei weiterem Fortschreiten der Papierbahn 2 in Pfeilrichtung 3 auf der Oberfläche der Papierbahn 2 abzurollen.

Während des ruckartigen Anhebens der Rolle 6 durch die Vorderkante 11 der Papierbahn 2 wird der Hebel 4 um sein Lager 5 geschwenkt und das rechte Ende des Hebels 4, welches auf den Beschleunigungssensor 7 einwirkt, nach oben ausgelenkt. Der Beschleunigungssensor 7 erfährt die Beschleunigung des Hebels 4 und liefert ein entsprechendes Signal. Sobald die Rolle 6 die Vorderkante 11 der Papierbahn 2 überwunden hat und Nachschwingvorgänge abgeklungen sind, findet keine Beschleunigung mehr statt und der Beschleunigungssensor 7 liefert auch kein Signal mehr.

Sobald der Beschleunigungssensor 7 ein Meßsignal liefert, wird dieses über die Leitung 8 der Auswerteelektronik 9 zugeführt, welche das Signal aufnimmt und digital abspeichert.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal im Zeitbereich abgespeichert, und zwar als zeitabhängige Wellenform. Alternativ hierzu kann die Auswerteelektronik 9 auch eine algorithmische Transformation, z. B. eine Fourier-Transformation durchführen und das Signal im Frequenzraum abspeichern.

Das abgespeicherte Signal hat einen charakteristischen zeitlichen Verlauf, der bei konstanter Geschwindigkeit der Papierbahn 2 im wesentlichen nur von der Dicke D der Papierbahn 2 abhängt. Da die Dicke D der Papierbahn 2 sich nicht kontinuierlich ändern kann, sondern je nach Anzahl der gestapelten Blätter nur ganz bestimmte, diskrete Dickenwerte gegeben sein können, kann jeder möglichen Dicke D ein bestimmtes Meßsignal zugeordnet werden. Da dieses Meßsignal typisch für die Dicke und damit für die Anzahl der in dem Stapel enthaltenen Blätter ist, spricht man von einem Fingerabdruck oder einer Signatur.

In dem der Auswerteelektronik 9 zugeordneten Speicher 10 befinden sich eine Vielzahl derartiger Signaturen, wobei jede Signatur einer bestimmten Anzahl von Blättern in der Papierbahn 2 entspricht. Die Auswerteelektronik 9 vergleicht die aktuelle, vom Beschleunigungssensor 7 kommende Signatur mit den im Speicher 10 abgespeicherten Signaturen und ermittelt die größtmögliche Übereinstimmung nach bekannten mathematischen Verfahren. In dem Speicher 10 ist jeder Signatur eine bestimmte Dicke oder Blattanzahl zugeordnet, welche von der Auswerteelektronik 9 nach Ermittlung der am besten passenden Signatur abgerufen wird. Dieser Wert kann auf einer (nicht dargestellten) Anzeige dargestellt oder anderweitig verwertet werden.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Dicke D eines oder mehrerer Papierblätter benutzt. Diese Anwendung ist besonders vorteilhaft bei Druckern einzusetzen, wo zu gewährleisten ist, daß dem Drucker jeweils nur ein Blatt des Papierstapels zuzuführen ist. Die Erfindung läßt sich jedoch in allen Fällen einsetzen, in denen die Dicke eines bahnartigen Materials zu messen ist.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist eine Offline-Auswertung, das heißt, die Auswerteelektronik greift auf mehrere in einem Speicher abgespeicherte Referenzsignale zu und vergleicht diese mit dem aktuellen Signal. Alternativ hierzu kann auch "online" gearbeitet werden. Hierbei wird nicht auf einen externen Speicher zugegriffen, der bestimmte Referenzsignale enthält, sondern bestimmte Parameter des elektrischen Signals werden unmittelbar von der Auswerteelektronik ausgewertet. Besonders bietet sich die Auswertung der Steilheit der Anstiegsflanke des Signals an, da diese umso größer ist, je dicker die zu vermessende Bahn ist. In Betracht kommt auch die Auswertung der Signalamplitude, also der Signaldifferenz zwischen Ruhelage und maximalem Ausschlag oder der Abklinkzeit.

Auch eine Kombination des Online- und Offline-Betriebs ist möglich. In beiden Betriebsarten bieten sich zur Signalanalyse die verschiedensten mathematischen Verfahren an, welche vorzugsweise softwaremäßig als Algorithmen gespeichert sind, wobei diese Algorithmen von der Auswerteelektronik abgearbeitet werden. In Betracht kommen Analyseformen im Zeitbereich und im Frequenzbereich, hier insbesondere die Korrelationsanalyse und die Fourieranalyse. Ebenso sind kombinierte Zeit- /Frequenzanalysen möglich.

Durch die Erfindung werden die Nachteile bekannter Vorrichtungen aufgehoben. Durch den Wegfall von Bedienungselementen wird die Handhabung erleichtert. Die Softwareanalyse der Signatur erlaubt eine beliebig hohe Genauigkeit, wodurch auch die Zuverlässigkeit in hohem Maße ansteigt. In der vorliegenden Anwendung zur Papierdickenkontrolle vereinigen sich die Vorteile der einfachen mechanischen Bauweise mit der besseren Auswertemöglichkeit der Software.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Messung der Dicke (D) einer Bahn (2), insbesondere einer Papierbahn, deren Kante (11) sich auf einer Auflagefläche (1) in eine Richtung (3) bewegt, mit einem über der Auflagefläche (1) befindlichen Sensorelement, welches senkrecht zur Auflagefläche (1) beweglich geführt ist und die Bahn (2) oder Auflagefläche (1) berührt und einer diesem nachgeschalteten Auswerteelektronik (9), dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement einen Beschleunigungssensor (7) zur Erfassung der durch die Kante (11) verursachten Beschleunigung des Sensorelements senkrecht zur Auflagefläche (1) und zur Erzeugung eines hierzu korrespondierenden elektrischen Signals aufweist, welches von der Auswerteelektronik (9) zur Ermittlung der Dicke (D) auswertbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Parameter des elektrischen Signals, beispielsweise Flankensteilheit, Amplitude oder Abklingzeit, von der Auswerteelektronik (9) auswertbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal von der Auswerteelektronik (9) mit mindestens einem, einer bestimmten Dicke (D) entsprechenden und in einem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignal vergleichbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (9) auf einen softwaremäßig installierten Algorithmus zugreift.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal im Zeitbereich vergleichbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer algorithmischen Transformation im Frequenzbereich vergleichbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer Fourier-Transformation im Frequenzbereich vergleichbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Anspruche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal mit mehreren, in dem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignalen, die jeweils verschiedenen Dicken entsprechen, vergleichbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als Hebel (4) ausgebildet ist, an dessen einem Ende eine Rolle (6) angeordnet ist, welche auf der Auflagefläche (1) aufliegt bzw. auf der sich bewegenden Bahn (2) abrollt, und daß der Hebel (4) auf dem Beschleunigungssensor (7) angeordnet ist.

10. Verfahren zur Messung der Dicke (D) einer Bahn (2), insbesondere einer Papierbahn, deren Kante (11) sich auf einer Auflagefläche (1) in eine Richtung (3) bewegt, mit einem über der Auflagefläche (1) befindlichen Sensorelement, welches senkrecht zur Auflagefläche (1) beweglich geführt ist und die Bahn (2) bzw. Auflagefläche (1) berührt und einer diesem nachgeschalteten Auswerteelektronik (9), dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement einen Beschleunigungssensor (7) aufweist, der die durch die sich vorbeibewegende Kante (11) verursachte Beschleunigung des Sensorelements senkrecht zur Auflagefläche (1) mißt und ein hierzu korrespondierendes elektrisches Signal erzeugt, welches der Auswerteelektronik (9) zugeführt und von dieser zur Ermittlung der Dicke (D) ausgewertet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Parameter des elektrischen Signals, beispielsweise Flankensteilheit, Amplitude oder Abklingzeit, von der Auswerteelektronik (9) ausgewertet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal von der Auswerteelektronik (9) mit mindestens einem, einer bestimmten Dicke (D) entsprechenden und in einem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignal verglichen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal im Zeitbereich verglichen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer algorithmischen Transformation im Frequenzbereich verglichen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer Fourier-Transformation im Frequenzbereich verglichen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal mit mehreren, in dem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignalen, die jeweils verschiedenen Dicken entsprechen, verglichen wird.