DE2345121A1

DE2345121A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des profiles einer eigenschaft oder kenngroesse eines gegenstandes

Info

Publication number: DE2345121A1
Application number: DE19732345121
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Bakelite Xylonite Ltd
Current assignee: BXL Plastics Ltd
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-09-07
Publication date: 1974-03-28
Also published as: GB1448669A; JPS4993045A; US3974248A

Description

Bakelite Xylonite Limited,

Enford House, 139 Marylebone Road, London N.W.1./England

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Profiles einer Eigenschaft oder Kenngröße eines Gegenstandes

Die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Profiles einer Eigenschaft oder Kenngröße eines Gegenstandes, mit Sensoren zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer elektrischer Meßsignale.

Kontinuierliche Bahnen oder Filme, die beispielsweise aus organischen thermoplastischen Materialien bestehen, werden unter Verwendung verschiedenartiger Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Walzen, Kalandrieren, Extrusion durch schlitzähnliche Extrusionswerkzeuge hindurch und durch Rohrextrusion hergestellt, wobei die so erzeugten Rohre nachfolgend im Blasverfahren aufgeweitet werden, bevor sie zu Bahnen aufgeschlitzt werden. Die so erzeugten Blätter oder Filme können

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nachfolgend in ihrer Dicke oder in anderen physikalischen Eigenschaften durch Längsstrecken, Querstrecken oder biaxiales Strecken oder durch Schrumpfung oder Wärmebehandlung verändert werden.

Normalerweise strebt man mit derartigen Verfahren die Herstellung eines Blattes oder Filmes von gleichmässiger Dicke an oder mit einer Dickenverteilung, die einem bestimmten Profil entspricht, über die Bahnbreite.

Der Kalandrierungsprozeß führt auf einfache Weise zur Herstellung von Bahnmaterialien mit einem hohen Grad an Gleichmäßigkeit der Dicke. Das Dickenprofil kann durch mechanische Verstellung der Kalandrierwalzen, beispielsweise durch Verstellung der Walzendurchbiegung oder durch Schrägstellung der V'alzenachsen modifiziert werden. Feineinstellungen können dadurch vorgei ommen werden, daß die Walzen selbst auf ein geeignetes Profil geschliffen werden. ·

Andererseits erzeugen Verfahren, bei denen beispielsweise bahnförmiges Rohmaterial durch Extrusion hergestellt wird, leicht Bahnen oder Filme, deren Dicke ortsabhängig in Längsrichtung oder Querrichtung sehr unterschiedlich ist. Dies ist insbesondere auch dann der Fall, wenn die Dicke des Rohmaterials im Streckverfahren reduziert worden ist, wie es im allgemeinen bei der Herstellung von Verpackungsfilmen und synthetischem Papier geschieht. Diese Dickenänderungen können auf unterschiedliche Zusammensetzungen, verschiedenem Molekulargewicht oder unterschiedlichen Plastifizierungszuständen des thermo-

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plastischen Materials beruhen oder aus Fluktuationen im Ausgangsteil der Extrusionsmaschine oder örtlichen Temperaturunterschieden des geschmolzenen Materials oder der teilweise gekühlten Bahn. Wenn die durch Extrusion hergestellte Roh-materialbahn nachfolgend gestreckt wird, um einen Zustand uniaxialer oder biaxialer Orientierung zu erzeugen, können weitere Dickenänderungen hervorgerufen werden, beispielsweise wenn die Bahntemperatur sich zur Zeit des Streckvorganges über die Bahnbreite ändert. Auch schon vorhandene Dickenvariationen können noch verstärkt werden. Oft ist es daher unmöglich, eine gleichmäßige Dickenverteilung über die Bahn durch feste Einstellung beispielsweise des Extrusionsschlitzes zu erreichen. Daher ist es zweckmäßig, einige ausschlaggebende Variable des Prozesses systematisch durch selbsttätige Rückkopplung von dem beobachteten und erfaßten Dickenprofil zu regeln.

Die Dickenänderungen können in einem komplexen Muster über eine z.B. durch Extrusion erzeugte Bahn verteilt sein. Das Dickenprofil hat nicht notwendigerweise in jedem Verfahrens st ad ium die gleiche' Form, sondern ändert sich periodisch oder willkürlich. In gleicher Weise kann der Mittelwert der Materialdicke quer über die Bahn in Bahnlängsrichtung in regelmäßiger oder willkürlicher Weise schwanken.

Wenn der Mittelwert der Materialdicke an verschiedenen Stellen quer zur Produktionsrichtung der Bahn bestimmt wird, erhält man ein stetiges, nahezu konstantes Profil, dessen Form beispielsweise von der Form des Werkzeug-

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Spaltes oder der Querverteilung der Temperatur abhängt. Wenn ein Film mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Quer-Dickenprofil zu einer Rolle aufgewickelt wird, treten stramme oder lockere Bänder auf, entsprechend den durchgehend dicken oder dünnen Bändern in dem Bahnmaterial. Solche Rollen sind unansehnlich und im allgemeinen wegen des Wandems des Filmes oder· infolge von Faltenbildung schwer aufzuschlitzen. Dariiberhinaus können solche Rollen bewirken, daß der Film beschädigt wird, wobei nachteilige Auswirkungen auf die Flachlege-Eigenschaften des Filmes auftreten.

Es wäre daher zweckmäßig, wenn man die Dickenänderungen in Querrichtung einer sich bewegenden Materialbahn stetig messen könnte, und wenn man darübexh inaus entsprechende Korrekturmaßnahmen automatisch durchführen könnte, um die Dickenänderungen auf ein tolerierbares Maß zu redur-zieren. Bekannte Dickenmeß- und Regelgeräte machen Schwierigkeiten, wenn Dickenänderungen sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung gleichzeitig auftreten, und wenn die Dickenänderungen in Querrichtung nur auftreten, nachdem die Materialdicke an jeder Stelle quer ' zur Materialbahn über eine beträchtliche Bahnlänge gemittelt worden ist. Um genügend Information für die Rege-

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lung anzusammeln, muß ein mit einem einzigen Meßkopf ausgestattetes Dickenmeßgerät viele Male in Querrichtung zur Bahn hin- und herbewegt w'erden. Wenn die Reaktionszeit (Antwortzeit) des Dickenmeßgerätes so ist, daß nur relativ geringe Abtastgeschwindigkeiten verwendet werden können, dann kann die zur Erzielung der Regelinformation benötigte Zeit sehr lang sein. Die Folge hiervon ist, daß

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der Korrekturvorgang langsam bzw. mit geringer Frequenz vorgenommen wird und man daher nur relativ dürfte Regelergebnisse erzielt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuen Systems zur Bestimmung und auch zur Ausregelung des Profiles einer speziellen Kenngröße oder Eigenschaft, beispielsweise der Materialdicke, um ein möglichst vollständiges Profilbild zu erhalten. Ferner soll eine Möglichkeit der Regelung der Kenngröße oder Eigenschaft angegeben werden,die sich nicht etwa an fest vorgegebenen Sollwerten orientiert, sondern einen Ausgleich der gemessenen und als unterschiedlich ermittelten Kenngrößen erleichtert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß die Größe eines jeden Signales mindestens .über einen Bereich der Eigenschaft oder Kenngröße an einer einzelnen Stelle des Gegenstandes eine im wesentlichen lineare Funktion ist, daß die Steigungen aller im wesentlichen linearen Funktionen

dasselbe Vorzeichen haben, und daß die Signale der- Sensoren einer elektrischen Schaltung zugeführt werden, die den Mittelwert der Signale sämtlicher Sensoren bildet und für jeden Detektor die Differenz zwischen dem Detektorsignal und dem Mittelwertsignal bildet und hieraus ein Funktionssignal erzeugt, das mit derjenigen stelle an dem Gegenstand korrelierbar ist, an der die Eigenschaft oder Kenngröße ermittelt wurde.

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Bei einem Regelverfahren, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise zum Einsatz kommen kann, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß man die Sensoren in bezug auf den Gegenstand so positioniert, daß man mehrere voneinander unabhängige elektrische Meßsignale erhält und Jedes Funktionssignal zur Steuerung einer Vorrichtung benutzt, die die Eigenschaft oder Kenngröße der nachfolgend produzierten Gegenstände während des Laufes der Produktionsmaschine in demjenigen Bereich des Gegenstandes ändert, für den ein Punktionssignal erzeugt wurde, derart, daß jegliche Differenz zwischen dem aus diesem Bereich abgeleiteten Meßsignal und dem Mittelwert sämtlicher Meßsignale reduziert wird.

Die Gegenstände, deren Eigenschaften und Kenngröße ermittelt werden sollen, können aus beliebigem Material bestehen, insbesondere aus Jedem Feststoff, wobei es auf die Form nicht ankommt. Die Erfindung hat sich insbesondere bei solchen Gegenständen wie Blättern, Bahnmaterial, Filmen, Rohren und Gieß- oder Formartikeln bewährt, und ganz besonders dann, wenn diese Gegenstände kontinuierlich oder in repetierenden Verfahren hergestellt wurden.

Die Eigenschaft oder Kenngröße, die durch die Vorrichtung bzw. das Verfahren festgestellt werden, können beispielsweise die Temperatur, Lichtdurchlässigkeit, die Farbe, das spezifische Gewicht, die elektrische Leitfähigkeit, die Zusammensetzung und die Dicke einschließlich von Beschichtungsdicken sein, grundsätzlich sollte jedoch bei

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der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des genannten Verfahrens die zu ermittelnden Eigenschaften oder Kenngrößen so sein, daß sie ggf. während des Herstellungsprozesses in der Praxis beeinflußt und geändert werden können.

Es hat sich erwiesen, daß die Erfindung insbesondere zur Bestimmung und/oder Regelung des Dickenprofiles eines Gegenstandes geeignet ist, insbesondere wenn der Gegenstand ein bahn-, film- oder blattförmiges Material ist.

Zur gleichzeitigen Erzeugung der zahlreichen elektrischer Meßsignale können mehrere Sensoren, die auf die entsprechende Eigenschaft oder Kenngröße ansprechen, in entsprechenden Positionen an den Gegenstand angesetzt werden. Wird das erfindungsgemäße Verfahren dazu benutzt, das Kenngrößenprofil eines in einer bestimmten Richtung produzierten Gegenstandes zu ermitteln, dann können die Sensoren zweckniäßigerweise quer zur Produktionsrichtung nebeneinander angeordnet werden. Die Sensoren können beispielsweise nach dem Prinzip der Absorption oder Streuung von Strahlung, Atomteilchen oder Elektronen arbeiten,, oder nach dem_e Prinzip der Mikrowellenreflektion oder der Störung elektromagnetischer Felder durch das Material der Gegenstände, wie dies beispielsweise bei elektromagnetischen Näherungsinitiatoren der Fall ist. Beispielsweise kann eine Reihe von Dickenmeßsensoren, die sich zum Einsatz an durchscheinendem pigmentierten Flächenmaterial als geeignet erwiesen haben und die bei den nachfolgend zu erläuternden Ausflihrungs-

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beispielen exemplarisch für alle möglichen Sensorarten gewählt wurden, quer zur Bahnrichtung angeordnet werden. Hinter dem Bahnmaterial befindet sich eine elektrische Fluoreszenzröhrenlampe, die sich über die gesamte Bahnbreite erstreckt, und vor dem Bahnmaterial befinden sich die fotoelektrischen Zellen P als Sensoren in gleichmässigen Abständen entlang einer Linie, die der Form der Lampe entspricht.

Um ein im wesentlichen lineares Antwortsignal von den Fotozellen zu erhalten, ist es normalerweise notwendig, parallel zu jeder Fotozelle einen niederohmigen Widerstand zu schalten, der vorzugsweise einstellbar ist. Dies kann insbesondere bei der Verwendung foto-Voltascher Zellen mit Selensperrschicht der Fall sein, die bevorzugt angewendet werden können.

Wenn verstellbare oder variable Widerstände verwendet werden, können sie dazu benutzt werden, die Ausgangsspannungen der Fotozellen zu justieren, so daß für ein angestrebtes Referenzprofil die jeweiligen Meßsignale sämtlich gleich sind.

Die einstellbaren Widerstände können selbstverständlich auch parallel zu anderen Sensortypen geschaltet werden, wenn die Meßsignale in" der gleichen Weise zur Erzielung eines bestimmten Referenzprofiles aneinander angepaßt oder individuell veränder-rbar sein sollen. Bei der Ver- " Wendung von Fotozellen in der schon erläuterten Weise können optische Filter mit einer bevorzugten Lichtdurchlässigkeit für blaues und grünes Licht zwischen das Bahn-

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material und die fotoelektrischen Zellen gesetzt werden. Wenn die Konzentration der lichtabsorbierenden Komponente in dem Bahnmaterial im wesentlichen gleichmäßig verteilt ist, so führen Dickenänderungen des Bahnmaterials im Bereich einer Fotozelle zu einer entsprechenden Änderung des fotoelektrischen Zellenstromes, die im wesentlichen linear zur Dickenänderung ist.

Eine entsprechende elektrische Schaltung empfängt die Größenuntersehiede zwischen jedem Meßsignal und dem Mittelwert sämtlicher Meßsignale und leitet hieraus entsprechende Funktionssignale ab, die einer jeden Differenz proportional sind. Wenn die Schaltung die Meßsignale von den foto-Voltaschen Zellen mit Selensperrschicht, denen die Widerstände parallelgeschaltet sind, empfängt, und wenn eine entsprechende Anzahl von Operationsverstärkern vorhanden ist, die vorzugsweise monolithische integrierte Siliziumverstärker sind., erhält man elektrische Signale von einer Größe und Polarität, die sich insbesondere zur Steuerung einer Anzeigevorrichtung für das Dickenprofil und für Stellvorrichtungen einget.

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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren anhand ■ von AusfUhrungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung die Anordnung einzelner Sensoren an einer durchlaufenden Materialbahn,

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau der elektrischen Schaltung zur Erzeugung der Meßsignale und zum Vergleich der Meßsignale mit dem Mittelwert,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der in Fig. 2 dargestellten Schaltung,

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Anzeigevorrichtung zur grafischen Darstellung der Meßwerte,

Fig. 5 zeigt einen elektrischen Integrator, der flir die Signalverarbeitung verwendet werden kann, wenn zur Dikkenveränderung eine elektrische Heizeinrichtung verwendet wird, und'

Fig. 6 veranschaulicht die Zusammenschaltung der in Fig. 5 dargestellten Integratoren zur einer Hilfsschaltung.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung fällt das Licht einer Lampe durch das durchscheinende Bahnmaterial hindurch auf den empfindlichen Bereich der foto-Voltaschen Zelle P und bewirkt auf diese Weise einen foto-Voltaschen Stromfluß durch den variablen Widerstand Ry. Hierdurch

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wird ein Potentialunterschied zwischen Erdpotential und dem mit einem + Zeichen versehenen nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A hervorgerufen. Unter der Voraussetzung, daß der Widerstand FU unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, der von der Größe der foto-Voltaschen Zellen und der auf die Zelle fallenden mittleren Lichtintensität abhängt, ist der Spannungsabfall an FU, der das Meßsignal darstellt, der Lichtintensität, die z.B. durch eine Materialbahn hindurch die Zelle P erreicht, proportional. Ferner ist das Meßsignal selbstverständlich dem Widerstandswert von FL. proportional. Jeder der gleichartigen Widerstände, die jeweils mit anderen foto-Voltaschen Zellen kombiniert sind, sowie jeder Verstärker kann individuell eingestellt werden, so daß die Spannungsänderung an FU-, die durch eine Änderung der Lichtintensität hervorgerufen wird, auf den gewünschten Wert eingestellt werden kann. Wenn die hinter dem Bahnmaterial befindliche Lampe nicht an allen Stellen des Bahnmaterials die gleiche Intensität liefert, ist es nötig, jeden der Widerstände FL. so einzustellen, daß, wenn eine Bahn von gleichmäßiger-Stärke und mit gleichmäßig verteilter Konzentration einer lichtabsorbierenden Komponente entlang der Lampenlinie zwischen die Lampe und die foto-Voltaschen Zellen gebracht wird, an allen Widerständen IL·^ die gleiche Spannung erzeugt wird, so daß alle Meßsignale äquivalent sind.

Die Widerstände R₁- haben für jeden Verstärker denselben Wert, der bei etwa 1000 Ohm liegt. Die'Widerstände R₂ haben jeweils einen Wert, der ein festes Vielfaches des

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Wertes von R₁ ist, beispielsweise das Zwanzig- oder Hundertfache.

Fig. 2 zeigt> wie die in Fig. 3 dargestellten Elemente durch eine Sammelleitung D, an die die Enden der Widerstände R, angeschaltet sind, zusammengeschaltet sind. Die Widerstände R₁ und R₂ bilden Potentialteiler zwischen dem Ausgang des Jeweiligen Verstärkers und der Sammelleitung. Der Abgriff ist an den mit einem - Zeichen versehenen invertierenden Eingang des jeweiligen Operationsverstärkers gelegt. Die Verstärker werden von einer Konstantsoannungs-Gleichstromquelle versorgt, die erdsymmetrische Oositive und negative Potentiale liefert. Zur Korrektur der Balance eines jeden Verstärkers sind bekannte, in Fig. 2 und 3 nicht dargestellte, Abgleicheinrichtungen vorgesehen, so daß die Ausgänge O₁, O₂ ... 0., an denen jeweils die Funktionssignale erzeugt werden, Nullspannung führen, wenn die Potentialdifferenz zwischen den beiden Verstärkereingängen Null ist.

Wenn'Lient auf die foto-Voltaschen Zellen einwirkt, und an den Widerständen Ry₁* Ry₂ · ·'■· ^Rvi Meßsignale mit den Spannungen E,, Ep ..., E. erzeugt werden, nimmt die Sammelleitung D gegenüber dem Erdpotential ein Potential E„ an, daß das arithmetische Mittel der verschiedenen Meßsignalpotentiale E₁, E₂ ... E₁ darstellt. Die Ausgangssignale O₁, O₂ ... 0. erhält man entsprechend der Formel

R₁ + Ro

^EC

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Wenn R, viel kleiner ist als R_, dann wird der zweite Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung groß im Verhältnis zu dem ersten. Die Ausgangssignale, d.h. die Funktionssignale, sind im wesentlichen gleich der Differenz zwischen den Einzelwerten E₁ der Potentiale an den Widerständen R„ und dem Mittelpotential, verstärkt durch einen Faktor ^Rl⁺ **2 .

^Rl

In Fig. 2 ist die Polarität der foto-Voltaschen Zelle so, daß beim Einfall von Licht positive Spannungen an den invertierenden Verstärkereingängen entstehen. Ein Anwachsen der örtlichen Materialstärke der Bahn bewirkt daher durch Reduzierung der Lichtintensität an einer. Fotozelle, daß die Ausgangsspannung des zugehörigen Verstärkers negativ in bezug auf die Sammelleitung D und normalerweise negativ in bezug auf die Erdleitung wird. Die Höhe der negativen Spannung ist proportional der Abweichung der Material stärke an der Stelle der foto-Voltaschen Zelle von dem Mittelwert der Stärke.

Bei einer derartigen Schaltung unterscheidet sich das Ausgangssignal, d.h. das Funktionssignal,von dem Aus-_c gangssignal eines jeden anderen Verstärkers und kann, da- ' her direkt mit dem zugehörigen Sensor und dem entsprechenden Bereich auf dem zu untersuchenden Gegenstand korreliert werden. Beispielsweise können bei einer derartigen Einrichtung die einzelnen Ausgangsanschlüsse der Verstärker mit einer Anzeigevorrichtung verbunden sein, die eine grafische Anzeige des durchgehenden Dickeprofiles der Bahn liefert und aus einer Reihe elektrischer

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Tiefpaßfilter bestehen kann, von denen eines mit jedem Ausgang verbunden ist. Eine Schalt- oder Multiplexvorrichtung verbindet nacheinander den Ausgang jedes Filters mit dem Vertikal-Ablenkverstärker eines Kathodenstrahlsoszilloskops. Die Reihenfolge der Anschaltung der Filterausgänge wird dabei so gewählt, daß sie der Reihenfolge entsDricht, in der die zugehörigen foto-VoItaschen Zellen an der Materialbahn angeordnet sind.

In Fig. 4 ist schematisch eine Anzeigevorrichtung dieser Art dargestellt, bei der die Filtereinheiten aus Widerständen R und Kondensatoren C_f bestehen, die zwischen den jeweiligen Ausgängen O₁ bis O. der Verstärker liegen jUnd einem Multiplexschalter M.

Der Multiplexschalter kann ein monolithischer integrierter Siliziumschaltkreis sein, dessen Schaltfolge von Signalen gesteuert wird, die von einem von einem Multivibrator S gespeisten Binärzähler Q geliefert werden. Der Binär zähler steuert außerdem einen Sägezahngenerator G derart, daß seine Periodendauer einer vollständigen Schaltfolge des Multiplexschalters entsDricht. Der Multiplexschalter verbindet die Kondensatoren C_f nacheinander mit dem Vertikal -Ablenkverstärkereingang des Kathodenstrahloszilloskops T. Die Horizontalablenkung des Elektronenstrahles des Kathodenstrahloszilloskops wird von dem Sägezahngenerator G abgeleitet und mit der Schaltvorrichtung derart synchronisiert, daß zu jedem Zeitpunkt die horizontale Koordinate des Lichtpunktes auf dem Sichtschirm der Position derjenigen fotoelektrischen Zelle auf der Materialbahn entspricht, die über die Schaltvorrichtung mit dem

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Vertikalverstärker des Oszilloskops verbunden wurde. Auf diese Weise kann ein vergrößertes Stärkenprofil in Form eines Histogrammes auf dem Schirm des Kathodenstrahloszilloskops abgebildet werden.

Wenn der Strahlrücklauf des Oszilloskops nicht ausgeblendet wird und die Schaltvorrichtung während des Strahlrücklaufes den Vertikalverstärker mit der Sammelleitung D (vorzugsweise über ein Tiefpaßfilter) verbindet, dann kann die Rücklaufspur als Bezugslinie für die mittlere Stärke verwendet werden,und die Position der Hauptspur oberhalb oder unterhalb dieser Linie zeigt die positive oder negative Dickenabweichung von dem Mittelwert an. Ein vollständiger Schaltzy-klus sollte vorzugsweise in weniger als 0,04 Sekunden ablaufen, um das Flakkern des Oszillografenbildes zu vermeiden.

Zusätzlich oder als Alternative zu dem obigen Vorschlag können die Funktionssignale beispielsweise Vorrichtungen zugeführt werden, die die Materialstärke verändern. Da im allgemeinen eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Ansprechen solcher Vorrichtungen und· demjenigen Zeitpunkt liegt, zu dem die Änderungen der Materialdicke die Meßstelle erreichen, ist es normalerweise nötig, zwischen den Ausgang eines Jeden Verstärkers und die Vorrichtung zur Dickenveränderung signalverarbeitende Einrichtungen zu schalten. Wenn als Vorrichtung zur Dickenveränderung · beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung verwendet wird, verarbeitet man das Signal zweckmäßigerweise in einem elektrischen Integrator, der gemäß Fig. 5 auf-

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gebaut sein kann.

Jedes Funktionssignal wird dementsprechend dem Integrator vorzugsweise über ein Relais, beispielsweise einen von einer Spule H betätigten Reed-Schalter S zugeführt. Der in Fig. 5 gezeigte Integrator enthält einen mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers U verbundenen Widerstand R . Der Operations-

verstärker U hat einen sehr hohen Eingangswiderstand und ist zu diesem Zweck beispielsweise mit einem Feldeffekt-, transistor (FET) bestückt. Der Rückkopplungskondensator C ist zwischen den Ausgang 0_e und den invertierenden Eingang geschaltet. Die Änderung der Ausgangsspannung ergibt sich näherungsweise durch folgende Gleichung:

^Vein

dt " R_eC '

wobei V . die Potentialdifferenz zwischen den Punkten K ein

und B in Fig. 5 ist. B kann an die Sammelleitung der Fig.

oder an eine noch zu erläuternde Hilfsschaltung angeschlossen sein. Der Reed-Schalter S wird normalerweise von einem die Spule durchfließenden Strom geschlossen gehalten. Es ist dafür gesorgt, daß im Falle irgendeiner Unterbrec-hung des Prozesses oder beispielsweise eines Ausfalles der Lampe der Strom durch Jede Spule unterbrochen wird und dadurch die Schalter S geöffnet werden. Unter diesen Umständen bleiben die Ausgangsspannungen der Integratoren für eine längere Zeitspanne unverändert, bis die Produktion wiederhergestellt oder der Fehler behoben ist. Hierdurch werden Verzögerungen bei der Wiederherstellung ordnungsgemäßer Steuerungsverhältnisse nach einer Produktions-

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unterbrechung vermieden.

Wenn das Potential des Punktes K in Fig. 5 in bezug auf B negativ ist, weil beispielsweise die Produktstärke an der entsprechenden Fotozelle größer als der Mittelwert ist, wird O₁₁ zunehmend positiver. Ist K dagegen in bezug auf B positiv, weil die Produktdicke an der entsprechenden Stelle geringer ist als der Mittelwert, so wird 0_ zunehmend negativer.

Wenn die Ausgangssignale von den Anschlüssen 0„ der

Integratoren den Steuerschaltungen für die Vorrichtungen zur Dickenveränderung zugeführt werden, die so konzipiert sind, daß eine positivere Spannung an der Steuerschaltung eine Verminderung der Bahnstärke in dem von dem entsprechenden Dickensensor Überwachten Band verursacht, wirkt sich die Funktion des Systems insgesamt so aus, daß die Stärke auf jedem Querstreifen der Materialbahn in Richtung auf den Mittelwert der Stärke korrigiert wird. Die Vorrichtung zur Veränderung einer Eigenschaft eines Gegenstandes kann jede beliebige Form haben. Einrichtungen zur Dickenveränderung können beispielsweise Wärmestrahler enthalten, die die Temperaturverteilung quer zur Materialbahn an irgendeiner Stelle ihres Weges durch die Maschine verändern. Ferner können Einrichtungen verwandt werden, die die Temperatur oder die öffnung vor Teilen einer Extrusionsdilse verändern, in der eine Materialbahn erzeugt wird. Die Steuerung kann direkt oder indirekt, beispielsweise mit herkömmlichen Steuerschaltungen erfolgen. Einrichtungen dieser Art arbeiten häufig so, daß sie eine Neuverteilung der Materialstärken über die

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Bahnbreite bewirken, anstelle von unabhängigen punktförmigen Dickenänderungen. Ein durch eine örtliche Veränderung der Bahntemperatur hervorgerufenes Anwachsen der Dicke in einem Band entlang der Materialbahn kann daher von einer allgemeinen Dickenverringerung an anderer Stelle begleitet sein.

Wenn beispielsweise das Potential, das jedem Integrator zugeführt wird, proportional der Differenz zwischen der Ausgangsspannung der entsprechenden foto-Voltaschen Zelle und einem voreingestellten festen Bezugspotential ware uhd als Vergleichswert nicht der Mittelwert der Zellenausgänge benutzt würde, würden sich unerwünschte Effekte ergeben. Wenn das feste Bezugspotential von dem Mittelwert der Fotozellenausgangssignale, die man erhalten würde, wenn die Dickenänderungen auf niedrige Werte reduziert worden wären, abweichen würde, würde den meisten Integratoren immer noch eine endliche Eingangsspannung der gleichen Polarität zugeführt werden, die bestrebt ist, ihre Ausgangsspannungen stetig auf hohe Werte anwachsen oder auf niedrige Werte abfallen zu lassen. Die Vorrichtungen für die Dickenveränderung wurden daher zunehmend verstellt, bis die meisten von ihnen die Grenzen ihres Stellbereiches erreichen,und anschließend würde die Regelwirkung ganz aussetzen.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dem Umstand, daß die Regelung der Verteilung einerEigenschaft oder Meßgröße auf einem Gegenstand getrennt von jeglicher Regelung des Mittelwertes der Eigenschaft oder Meßgröße des Gegenstandes erfolgt. Die Regelung der Form des Dickenprofiles in Querrichtung einer Materialbahn, die beispielsweise durch Extrusion hergestellt wird, erfolgt getrennt von der Dickenregelung der Materialbahn. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird lediglich die Verteilung beeinflußt. 409813/1Q75

Der Mittelwert der Materialdicke, beispielsweise einer derartigen Materialbahn, kann durch Messung desjenigen Potentials überwacht werden, das an der geraeinsamen Sammelleitung D von Fig. 2 entsteht. Dieses Potential wird mit einem voreingestellten Potential verglichen und die entstehende Potentialdifferenz zur Aktivierung einer Steuereinrichtung verwandt, die die mittlere Stärke regelt, beispielsweise einer Vorrichtung zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit einer Extruderschraube, die das Kunststoffmaterial dem folien- oder schichtbildenden Werkzeug zuführt.

Obwohl man bei der Herstellung von Bahnmaterial im allgemeinen bestrebt ist, eine gleichmäßige Materialstärke zu erhalten, gibt es Fälle, in denen man ein geregeltes, jedoch nicht-gleichmäßiges Dickenprofil anstrebt. Bei dem oben beschriebenen System kann man auch eine Dickenregelung bei derartig profilierten Flächenmaterialien vornehmen, indem man die variablen Widerstände FL·. entsprechend einem vorbestimmten Muster,einstellt. Eine Vergrößerung des Wertes von ¹R^. führt zu einer Vergrößerung der Materialstärke an der Stelle der zugehörigen

Fotozelle.

Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die Mittelwerte · der Ausgangspotentiale der Integratoren zu steuern, ohne ihre Relativwerte zu verändern, beispielsweise, um sicherzustellen, daß die- die Dicke verändernden Vorrichtungen im wirksamsten Teil ihres Stellbereiches .betrieben werden. Dies kann mit der in Fig. 6 dargestellten Schaltung erreicht werden, bei der die in Fig. 5 dargestellten Integratoren zu einer Hilfsschaltung zusammengeschaltet sind.

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Bei der Schaltung nach Fig. 6 sind die Anschlüsse B der Integratoren nicht zu der Sammelleitung D zusammengeschaltet, sondern führen ein Potential, das der Differenz zwischen dem Mittelwert der Integrator-Ausgangssignale und einem festen Referenzpotential, das von dem Potentiometer E abgeleitet wird, entspricht. Der Verstärker W kann vom gleichen Typ sein wie die Verstärker A in den Fig. 2 und 3·

Zur Erzielung einer glatten Regelwirkung für das gesamte System, die frei von Schwingungen und nicht träge beim Ansprechen ist, müssen die Regelparameter des Systems in bekannter Weise optimiert werden.

Die Werte "von R und C in Fig. 5 und insbesondere die

S o^

Werte des Produktes R₀, χ C müssen so gewählt werden, daß die Schnelligkeit der durch eine Abweichung der Materialdicke an der Stelle einer foto-Voltaschen Zelle vom Mittelwert hervorgerufenen Systemantwort der die Dicke verändernden Vorrichtung den Op'timalwert annimmt. Diese optimale Schnelligkeit der Antwort wird geringer, wenn längere Zeitverzögerungen zwischen dem Durchgang eines Teiles der Bahn durch die die Dicke verstellenden Vorrichtungen und seiner Ankunft an den Dicken-Meßstationen vorhanden sind.

Die folgenden Beispiele sollen zur Erläuterung der Erfindung dienen:

Beispiel 1

Eine Vorrichtung der anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Art wurde mit dreizehn foto-Voltaschen Zellen P und den entsprechenden Verstärkern A., A_p ... A... aus-

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gestattet. Die foto-Voltasehen Zellen waren Selen-Sperrschichtzellen mit jeweils einer Sensorfläche von 15 x 30 mm. Sie waren.in einem lichtdichten Kasten eingeschlossen, dessen öffnungen so angeordnet waren, daß Licht, das von einer 40 Watt-Fluoreszenzlampe mit einer Länge von 122 cm vom Tagesliehttyp ausgesandt wurde, durch ein durchscheinendes Flächenmaterial hindurch auf die Sensorfläche einer jeden Zelle fiel. Unmittelbar vor einer jeden foto-Voltaschen Zelle wurden Blau-Grün-Filter angeordnet. Die als Sensoren wirkenden Fotozellen und die entsprechenden öffnungen wurden mit Abständen von 76 mm quer zum Weg der Materialbahn gelegt. Die Konstruktion des Kastens und Lampengehäuses. war so, daß in allen. Zellen solche Fotoströme, die durch Licht hervorgerufen wurden, das nicht durch die durchscheinende Materialbahn unmittelbar unterhalb der Zelle hindurchgegangen ist, auf ganz geringe Werte reduziert wurde. Als Verstärker A-, A₂ ... A₁, wurden monolitische Silizium-Operationsverstärker vom Typ 709 mit einer Verstärkung von 90 dB bei offener Rückkopplung verwandt, von denen jeder auf weniger als 0,5 mV, bezogen auf den Eingangskreis, ausbalanciert war. Rp betrug in jedem Falle 100.000 Ohm und R- 1.000 0hm. Ry₁, Ry₂ ... Ry,-, waren so eingestellt, daß man bei einem durchscheinendem Polyäthylenfilm gleichmäßiger Stärke von 1/100 mm, der Titandioxyd enthält und für grünes Licht eine diffuse Lichtdurehlässigkeit von 11 % hat, an jedem der Widerstände den gleichen Spannungsabfall von 90 mV erhielt. Die Kondensatoren C* in Fig. 4 hatten eine Kapazität von 2 ^uF und große Leckwiderstände, und die Widerstände R-. waren in Einsteckeinheiten montiert, um sie leicht auswechseln zu können. M war ein Festkörper-Multiplexschalter vom Typ DG 506 von der Fa. Siliconix Ltd..

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F war ein Multivibrator mit einer Ausgangsfrequenz von 400 Hz. G und T waren konventionelle Einheiten, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wurden, und Q war ein 4-Bit-Binärzähler in TTL (Transistor-Transistor-Logik) vom Typ FJJ 201 von der Fa. Mullard Ltd..

Die Vorrichtung wurde zum Überwachen der Dickenänderungen bei einem Bahnmaterial mit einer Breite von 122 cm während der Produktion durch einen Extrusionsvorgang verwandt. Die Materialstärke betrug im Mittel 1/100 mm. Das Material bestand aus Polyäthylen hoher Dichte, das Füllmaterialien und Pigmente enthielt, so daß seine mittlere Lichtdurchlässigkeit für grünes Licht etwa 11 % betrug.

Auf dem Oszilloskopschirm wurde eine Spur geschrieben, die deutlich Dickenabweichungen in Querrichtung anzeigte. Wenn die Widerstände R_f jeweils einen Wert von IM Ohm hatten, konnten kurzzeitige Veränderungen der Dicke entlang und quer zur Materialbahn leicht beobachtet werden, und diese Beobachtungen konnten zum Aufsuchen der Ursache für die vorübergehenden Dickenvariationen verwendet werden. Wenn die Widerstände R_f durch Widerstände mit Werten von 10 M Ohm ersetzt wurden, wurden die kurzze'itigen Änderungen ausgeglättet und es entstand ein stetiges Profil der Schichtstärke, das die Ausführung von Korrektureingriffen möglich machte, um die Unterschiede in der mittleren Stärke quer über die Bahn zu reduzieren.

Beispiel 2

Das im Beispiel 1 verwendete Gerät wurde durch Hinzufügung einer Gruppe von dreizehn Integratoren modifiziert,

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von denen jeder gemäß Fig. 5 ausgebildet war. C hatte eine Kapazität von 2 /uF sowie einen Leckwiderstand von mehr als 20.000 M Ohm und R betrug 20 M Ohm. Der F.E.T.-

Operationsverstärker U war vom Typ E 78 von der Fa. Computing Techniques Ltd.. Die Integratoren waren gemäß Fig. 6 zusammengeschaltet, wobei der Verstärker W vom gleichen Typ wie die Verstärker A des Beispieles 1 war. Die freien Anschlüsse der Widerstände R waren jeweils

über Schalter S, die in Fig. 6 nicht dargestellt sind, miteinander verbunden, um die Funktionssignale 0,, Op Oy, zu empfangen.

Die Widerstände Ry wurden in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise justiert und die Schalter S geschlossen. Die Ausgänge 0 ,, 0 ₂ ... 0 ,_ wurden dazu benutzt, Hochleistungs-Steuerschaltungen anzusteuern, die elektrischen Strom zu jeweils einem von dreizehn Strahlungsheizern schickten. Das Potentiometer E war so eingestellt, daß der gesamte Heizeffekt der Strahlungsheizer zu jeder Zeit etwa JO % des maximalen Nennwertes betrug.

Die Strahlungsheizer wurden quer zu einer kontinuier- · liehen Kunststoffbahn angeordnet, die vor dem Einlaufen in eine Maschine zum kontinuierlichen simultanen biaxialen Strecken auf andere Weise bis zu einem Dehnbarkeitszustand aufgeheizt worden war. Die foto-Voltaschen Zellen und die Lampe des Beispieles 1 wurden an gegenüberliegenden Seiten der gestreckten Bahn angeordnet, die eine mittlere Nennstärke von 1/100 mm hatte und aus Polyäthylen hoher Dichte mit Füllmaterialien und Pigmenten bestand. Ihre -mittlere Lichtdurchlässigkeit für grünes Licht betrug etwa 11 %. Diese Daten galten für eine Position hinter dem Ausgang der Streckmaschine und vor der Auf-

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wickeleinheit.

Die Position der Strahlungsheizer war so, daß ein Element des einlaufenden Bahnmateriales, das einen bestimmten Strahlungsheizer passierte, nachfolgend zwischen der Lampe und der foto-Voltaschen Zelle hindurchlief, die den Steuerkanal zur Regelung der Heizleistung des betreffenden Strahlungsheizers steuerte. Die Entfernung zwischen den jeweiligen foto-Voltaschen Zellen und ihren entsprechenden Heizern war so gewählt, daß die Zeit, die ein Flächenelement der Bahn benötigte, um diese Entfernung zu durchlaufen, etwa eine Minute betrug.

Die biaxiale Streckmaschine wurde in Betrieb gesetzt, ohne daß zunächst die Strahlungsheizer eingeschaltet wurden, und es ergab sich, daß die gestreckte Materialbahn in ihrer Stärke über die Breite stetig variierte. Die maximale Dickenabweichung betrug - 10 % vom Mittelwert. Als die Heizer unter Steuerung durch das beschriebene Gerät eingeschaltet wurden, verringerte sich die maximale Dickenabweichung auf - 2,5 ^ vom Mittelwert.

Die Vorrichtung und das Verfahren nach 'der Erfindung wurden vorstehend anhand der Dickenbestimmung und Dickenregelung einer thermoplastischen Materialbahn während der kontinuierlichen Produktion beschrieben, es ist jedoch klar, daß sie auch in anderer Weise zum Einsatz kommen können, um das Profil oder irgendeine andere Meßgröße oder Eigenschaft eines Gegenstandes zu bestimmen und zu steuern. Beispielsweise kann die Vorrichtung so eingerichtet werden, daß es mit ihr möglich ist, Eigenschaften oder Profile, wie beispielsweise das Dickenprofil von Wänden, Rohren, Flaschen und

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zahlreichen anderen Artikeln zu bestimmen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch die manuelle Steuerung der Herstellung solcher Profile erleichtert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Überwachung und automatischen Regelung einer Eigenschaft oder eines Kenngrößenprofiles allgemein bei solchen Artikeln eingesetzt werden, die in einem kontinuierlichen oder repetierenden Herstellungsvorgang erzeugt werden. Insbesondere eignet es sich zur Erfassung und Regelung der betreffenden Kenngrößen in Querrichtung zur Produktionsrichtung des Gegenstandes bzw. der Bahn. Ein Beispiel für einen repetierenden Herstellungsprozeß ist das Spritzgußverfahren für Hohlkörper, wo die Abweichung der Stärke beispielsweise einer Materialbahn von dem Mittelwert bestimmt werden kann. Entsprechende Verstellungen der Werkzeuge der Spritzgußmaschine können automatisch vorgenommen werden, bevor der nächste*Spritzgußvorgang stattfindet. Selbstverständlich ist die Anwendung nicht auf die Kuriststoffindustrie beschränkt und die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung können sowohl in der Papier-, Glas- oder Stahlindustrie zur Anwendung kommen.

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Claims

Ansprüche

/1.1 Vorrichtung zur Bestimmung des Profiles einer Eigen- ^~"^ schaft oder Kenngröße eines Gegenstandes, mit Sensoren zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer elektrischer Meßsignale, dadurch ge. kennzeichnet, daß die Größe eines jeden Signales mindestens über einen Bereich der Eigenschaft oder Kenngröße an einer einzelnen Stelle des Gegenstandes eine im wesentlichen lineare Funktion ist, daß die Steigungen aller im wesentlichen linearen Funktionen dasselbe Vorzeichen haben, und daß die Signale der Sensoren(P) einer elektrischen Schaltung (Fig. 2) zugeführt werden, die den Mittelwert der Signale sämtlicher Sensoren bildet und für jeden Detektor die Differenz zwischen dem Detektorsignal und dem Mittelwertsignal bildet und hieraus ein Funktionssignal (0, ... 0.) erzeugt, das mit derjenigen Stelle an dem Gegenstand korrelierbar ist, ■ an der die Eigenschaft oder Kenngröße ermittelt wurde,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Sensoren für Eigenschaften oder Kenngrößen vorhanden sind.

Jt. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne t , daß die Sensoren derart ausgebildet sind, daß sie nach den Prinzipien der Strahlungsabsorption, Strahlungsstreuung, Absorption von Atomteilchen, Streuung von Atomteilchen, der Mikrowellenreflexion oder der Störung elektromagnetischer Felder durch das Material des Gegen-

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Standes arbeiten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung bei pigmentierten durchscheinenden Gegenständen eine elektrische Fluoreszenzröhre vorgesehen ist, und daß die Sensoren aus fotoelektrischen Zellen (P) bestehen, die entlang der Röhre (L) angeordnet sind und einen solchen Abstand von der Röhre (L) haben, daß der Gegenstand zwischen ihnen und der Röhre hindurchbewegt werden kann.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Schaltung mehrere getrennte Operationsverstärker (A) enthält, deren nicht-invertierende Eingänge mit den die elektrischen Meßsignale liefernden Einrichtungen verbunden sind, und die Gegenkopplungszweige in Form von Spannungsteilern (Rp, R,) aufweisen, die in einem Punkt (Sammelleitung D) zusammengeschaltet sind, und daß die Schaltung derart ausgebildet ist, daß die Ausgangs-Funktionssignale eines jeden Verstärkers (A) proportional der Differenz zwischen der Größe des dem jeweiligen Verstärker zugeführten Meßsignales und derjenigen des allen Verstärkern zugeführten Mittelwertsignales ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Aufnahme der Funktionssignale (O₁ ... O₁) vorgesehen ist, die mit einer Vorrichtung verbunden ist, welche gesteuerte Korrekturen an dem jeweiligen Gegenstand vornimmt.

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7· Verfahren zur Steuerung des Profiles einer Eigenschaft oder Kenngröße eines Gegenstandes unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sensoren (P) in bezug auf den Gegenstand so positioniert, daß man mehrere voneinander unabhängige elektrische Meßsignale erhält und jedes Funktionssignal zur Steuerung einer Vorrichtung benutzt, die die Eigenschaft oder Kenngröße der nachfolgend produzierten Gegenstände während des Laufes der Produktionsmaschine in demjenigen Bereich des Gegenstandes ändert, für den ein Funktionssignal erzeugt wurde, derart, daß jegliche Differenz zwischen dem aus diesem Bereich abgeleiteten Meßsignal und dem Mittelwert sämtlicher Meßsignale reduziert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7; dadurch gekennzeichnet , daß man die elektrischen Meßsignale separat den nicht-invertierenden Eingängen separater Operationsverstärker zuführt, deren Gegenkopplungs-Widerstandsspannungsteiler in einem Punkt zusammengeschaltet sind, so daß die Ausgangs-Funktionssignale eines jeden Verstärkers der Differenz zwischen der Größe des dem Verstärker zugeführten Meßsignales und der Größe des Mittelwertes der Meßsignale sämtlicher Verstärker proportional ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Gegenstände Blätter, Bögen, Bahnen, Filme, Rohre und Form- oder Gußteile sind.

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10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände in einem kontinuierlichen Verfahren oder einem repetierenden Verfahren hergestellt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft oder Kenngröße des Gegenstandes die Temperatur, Lichtdurchlässigkeit, Farbe, das spezifische Gewicht, die elektrische Leitfähigkeit, die Zusammensetzung oder die Material- oder Wandstärke ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände Blätter, Bahnen oder Filme sind, deren Dicke erfaßt und ggf. geregelt wird.

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