DE2442901A1

DE2442901A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen messung des elastizitaetsmoduls von bewegtem band- oder drahtfoermigem material

Info

Publication number: DE2442901A1
Application number: DE2442901A
Authority: DE
Inventors: Roger Henri Roch
Original assignee: J Bobst et Fils SA
Current assignee: Bobst Mex SA
Priority date: 1973-09-19
Filing date: 1974-09-07
Publication date: 1975-08-07
Also published as: GB1471997A; IT1021134B; DE2442901B2; SE7411715L; ES429730A1; SE411076B; FR2244169B1; JPS546391B2; CA1009055A; JPS5057696A; CH569968A5; FR2244169A1; US3933035A

Description

J. BOBST & FILS S. A. PRILLY/Schweiz

Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Elastizitätsmoduls von bewegtem band- oder drahtförmigem Material.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Verarbeitung bzw. Bearbeitung von band- oder drahtförmigem Material sowie auch bei der Qualitätskontrolle von
kontinuierlich hergestellten Bändern oder Drähten ist häufig die genaue Ueberwachung des Elastizitätsmoduls des bewegten
Materials notwendig oder wünschenswert. Wenn Papieroder Kartonbänder, die von einer Spule abgewickelt werden,
in eine Druckmaschine einlaufen, dann müssen beispielsweise die Bedingungen einer konstanten Materialspannung oder einer

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konstanten Materiallängung, welche ein konstantes Format im freien, unbeanspruchten Zustand des Materials gewährleistet, oder aber einer konstanten Längung bei einer vorgegebenen Spannung erfüllt werden, welche in diesem Falle ein konstantes Format bei einer gegebenen Spannung gewährleistet. Es sind bereits Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art bekannt, mit denen der Elastizitätsmodul eines Bandes auf der Grundlage einer Messung der Differenz der Geschwindigkeiten dieses Bandes zwischen zwei Punkten verschiedener Spannung ermittelt wird. Diese Vorrichtungen liefern jedoch keine befriedigenden Ergebnisse, weil eine Differenz gemessen werden muss, die im Vergleich mit den Bandgeschwindigkeiten an den Messpunkten sehr klein ist.

Bei der Herstellung von Papier-, Karton-, Kunststoff- oder Metallbändern ist zwecks Qualitätskontrolle ebenfalls eine kontinuierliche Messung des Elastizitätsmoduls wünschenswert, weil auf diese Weise eine automatische Regelung der Produktionsanlage als Funktion der Messwerte zwecks Erzielung einer gleichbleibenden Qualität möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine exakt arbeitende und verhältnismässig einfach aufgebaute Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung durch diejenigen Merkmale charakterisiert, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben sind.

Weitere Erfindungsmerkmale, insbesondere zur Verbesserung der Qualität der Messung im dynamischen Bereich geeignete bevorzugte Massnahmen, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen :

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach

der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Korrekturein

richtung und

Fig. 3 das elektrische Schaltbild eines Teiles der Korrek

tureinrichtung.

Nach Fig. 1 wird ein Band 1, beispielsweise ein Papierband, von einer nicht dargestellten Spule abgewickelt und im Sinne des Pfeils F bewegt. Dieses Band 1 verläuft einerseits zwischen einer ersten antreibenden Zugrolle 2 und einer mit dieser zusammenwirkenden Druckrolle 3 und andererseits zwischen einer zweiten antreibenden Zugrolle 4 und einer mit dieser zusammenwirkenden Druckrolle 5. Die Zugrollen 2 und 4, welche die Radien Ra bzw, Ra aufweisen,

J. £λ

werden mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit von einem Gleichstrommotor 6 mit konstanter Erregung angetrieben. Die Erregerspule ist mit 7 bezeichnet. Der Anker 8 des Motors wird über einen statischen Regelkreis 9 mit einem Operationsverstärker 10 gespeist, der einen den Sollwert des Motordrehmoments liefernden Eingang aufweist. '

Das Band 1 verläuft ferner über eine Rolle 12, die auf einer festen Achse sitzt, unter einer Rolle 13, die zu einer ersten, die Spannung des Bandes vor der ersten Zugrolle 2 messenden Einrichtung 14 gehört, und ferner unter einer Rolle 15, die zwischen den beiden Zugrollen angeordnet ist und zu einer die Spannung des Bandes vor der zweiten Zugrolle 4 messenden Einrichtung 16 gehört. Die beiden

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Bandspannungsmesseinrichtungen 14 und l6 sind von bekannter Bauart und werden üblicherweise dazu benutzt, um eine elektrische Grosse zu erzeugen, die der auf das Band wirkenden mechanischen Spannung proportional ist. Das elektrische Ausgangs signal der Einrichtung 14 wird auf eine elektrische Korrekturschaltung 17 gegeben, welche ein Zeitglied mit einer später noch erläuterten Zeitkonstanten aufweist und welche ein Korrektur signal entsprechend der ebenfalls später noch erläuterten Funktion 1 - e erzeugt. Dieses eingeführte Korrektur signal ist als Funktion einer zur Bandgeschwindigkeit ν proportionalen elektrischen Grus se veränderbar, welche die Korrekturschaltung 17 steuert, wie in Fig. 1 angedeutet, Der Ausgang der Korrekturschaltung 17 ist an den einen Eingang eines Operationsverstärkers 18 angeschlossen, dessen anderer Eingang das von der Bandspannungsmesseinrichtung 16 abgegebene Signal erhält. Der als Differentialverstärker arbeitende Operationsverstärker 18 liefert daher ein Aus gangs signal, welches der Differenz seiner beiden elektrischen Eingangsgrössen proportional ist. Dem Operationsverstärker 18 ist eine T eiler schaltung 19 nachgeschaltet, an deren Ausgang ein dem zu ermittelnden Elastizitätsmodul K proportionales elektrisches Signal erzeugt wird.

Der Radius Ra der Zugrolle 4 ist um grössenordnungsmässig l°/oo

Ct

grosser als der Radius Ra der Zugrolle 2. Da die Winkelgeschwindigkeit der beiden Zugrollen gleich ist, hat dieser Unterschied in den Radien der Rollen eine Vergrösserung der Bandgeschwindigkeit zwischen den beiden Zugrollen 2 und 4 um l°/oo zur Folge, d. h. , es tritt eine bestimmte Vergrösserung der spezifischen Bandlängung (Ra₂- Ra₁)/ Ra₂ auf.

Der Elastizitätsmodul K ist gleich dem Verhältnis zwischen dem SpannungsZuwachs und dem LängungsZuwachs, und es gilt daher im stationären Bereich der Ausdruck :

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K = (T₂ - T₁) Ra₁ / (Ra₂ -

wobei T und T die mechanischen Spannungen bedeuten, welche durch die Messeinrichtungen 14 bzw. 16 gemessen werden.

Im dynamischen Bereich ist zu beachten, dass eine Aeriderung der Bandspannung T nicht sofort, sondern mit einer "Zeitkonstanten¹¹ infolge der beiden Paare von Zug-Druck-Rollen auf die Bandspannung T zurückwirkt. Diese Grosse vom Typ einer Zeitkonstanten ist gleich der Länge € des Bandes zwischen den beiden Zugrollen. Eine Störung Δ T überträgt sich daher gemäss dem Ausdruck :

L· T₂ (T₁) = (1 - e - ^x/t) A T₁.

Um die beiden Informationen in gültiger Weise vergleichen zu können, welche die beiden Spannungsmesseinrichtungen liefern, wird auf elektronische Weise die erste Messung durch die gleiche "Dämpfungs"· funktion modifiziert, welche die Aenderungen der Bandspannung T erfahren, bevor sie das Niveau der Bandspannung T erreichen.

Mit der Einführung dieses Korrekturfaktors erhält man für den Elastizitätsmodul im dynamischen Bereich den Ausdruck :

-x/f

K =

₂ (1 - e " ' ) Ra₁/ (Ra₂- Ra₁).

Wenn man diese "Zeitkonstante" einführt, dann ergibt sich eine stetige und exakte Messung des Elastizitätsmoduls, ohne Rücksicht darauf, welche Aenderungen die Bandspannung T erfährt. Da auf elektrischem Wege in einfacher Weise Zeitkonstanten einführbar sind, die vorstehende Formel jedoch Längengrossen enthält, muss nunmehr auf geeignete Weise die Zeit- in eine Längengrösse umge-

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wandelt werden, was in folgender Weise realisierbar ist: Wenn man mit ν die Bandgeschwindigkeit und mit χ den Weg bezeichnet, den das Band in einer Zeit t zurücklegt, dann gilt χ = ν t, und es ergibt sich :

i-e--/e₌ ,..-vt/e, j... t/r.

Aufgrund der Analogie lässt sich nun eine Zeitkonstante als Funktion der Geschwindigkeit durch die Beziehung;

τ (ν) = e/v

definieren. Die vorstehend als Zeitglied bezeichnete elektronische

- x/C Schaltung 17 realisiert genau die Funktion 1 - e als Funktion

der Geschwindigkeit ν des Bandes, welche mittels einer Tachometeranordnung gemessen wird. Der Operationsverstärker^ liefert!, eine elektrische Grosse, welche proportional ist zu

und die Teiler schaltung 19 teilt diese Grosse durch einen Faktor, der proportional ist zu (Ra - Ra ) / Ra .

Lt L L

- vt/C
Die Funktion 1 - e wird mittels einer Schaltung nach den

Fig. 2 und 3 dargestellt. Diese Schaltung weist einen Integrator 20, ein Servo- Präzisionspotentiometer 21 als Stellglied, einen Operationsverstärker 22 sowie einen elektronischen Teiler 23 auf, welcher die !Mathematische Inversion einer zur Geschwindigkeit ν proportionalen Grosse ausführt, wobei die Geschwindigkeit ν durch einen Tachometer 24, der einen Tachometerdynamo einschliesst, gemessen wird. Die verschiedenen Elemente der Schaltung

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sind an sich bekannt und handelsüblich. Bei den Schaltungen 22 und 23 handelt es sich vorzugsweise um integrierte Schaltungen. Das Servo-Potentiometer 21 weist einen Stellmotor 25 auf, welcher gleichzeitig die Schleifkontakte von drei veränderbaren Widerständen R , R und R antreibt. Der veränderbare Widerstand R

(J X M _ \J

liegt zwischen einem positiven Potential und Masse, während sein Schleifkontakt an einem der Eingänge des Operationsverstärkers 22 angeschlossen ist. Am anderen Eingang dieses Operationsverstärkers 22 liegt eine zu l/v proportionale Spannung, die am Ausgang der Schaltung 23 erzeugt wird.

Der Widerstand R des Servo-Potentiometers 21 liegt in Reihe mit dem Operationsverstärker 26 der Integrations schaltung 20, während der Widerstand R zu diesem Operationsverstärker 26 parallel geschaltet ist, wie es dem Schaltbild nach. Fig. 3 zu entnehmen ist. " Dem Widerstand R ist ausserdem noch ein Kondensator C parallel

Cd

geschaltet. Die der mechanischen Spanfaung T proportionale elektrische Grosse liegt an der anderen Klemme des veränderbaren Wi-

- t/r

derstandes R . Diese Schaltung erzeugt die Funktion T (1-e ). wobei X=RC ist.

Die Zeitkonstante T* ist also zu R proportional, und R variiert als Funktion von l/v; man erhält also auf diese Weise die gewünschte Funktion. " ^Λ

Die den Spannungen proportionalen Grossen sowie die berechneten Grossen lassen sich auch auf andere als elektrische Weise erhalten bzw. berechnen, nämlich beispielsweise durch mechanische, hydraulische, pneumatische oder hydropneumatische Mittel, insbesondere auch durch Flüssigkeitskreise.

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Claims

PATENT ANSPR UEC HE

l.J Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Elastizitätsmoduls von bewegtem band- oder drahtförmigem Material, gekennzeichnet durch eine erste Materialantriebsvorrichtung (2, 3) und durch eine zweite, in Bewegungsrichtung des Materials (1) dahinter angeordnete und das Material mit einer anderen Geschwindigkeit als die erste antreibende Materialantriebsvorrichtung (4, 5), durch zwei Einrichtungen (14,16) zur Messung der mechanischen Materialspannung, von denen die erste (14) vor der ersten Materialantriebsvorrichtung (2, 3) und die zweite (16) zwischen den beiden Materialantriebsvorrichtungen angeordnet ist und welche zu den gemessenen Materialspannungen proportionale Signale erzeugen, sowie durch einen Vergleichskreis (18), dessen Eingänge mit den Ausgängen der erwähnten Messeinrichtungen (14, 16) verbunden sind und welcher eine zur Differenz der gemessenen Materialspannungen proportionale Grosse erzeugt, wobei diese Differenz dem Elastizitätsmodul (K) des Materials proportional ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten, die Mate rial spannung messenden Einrichtung (14) und dem Vergleichskreis (18) eine eine Verzögerung einführende Anordnung (17) mit einer Zeitkonstanten vorgesehen ist, welche als Funktion der Materialgeschwindigkeit (v) und der Länge ( Z ) des Materials zwischen den beiden Materialantriebsvorrichtungen (2, 3; 4, 5) veränderbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialantriebsvorrichtungen aus je einer mit einer Druckrolle (3; 5) zusammenwirkenden Zugrolle (2; 4) bestehen, welche beide mit derselben Winkelgeschwindigkeit angetrieben werden und von denen die erste Zugrolle (2) einen Radius (Ra ) aufweist, welcher kleiner

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als der Radius (Ra ) der zweiten Zugrolle (4) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der erwähnten Radien (Ra , Ra₉) der beiden Zugrollen (2,4) grössenordnungsmässig 1 °/oo beträgt. ,
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Verzögerung einführende Anordnung (17) auf analoge Weise mittels einer zur Materialgeschwindigkeit (v) pro-

- x/€ portionalen Grosse die Funktion 1 - e ' darstellt, wobei χ der vom Material bei der Materialgeschwindigkeit ν in einer Zeit t zu-

ί -

rückgelegte Weg und durch χ = ν · t gegeben ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Anordnung (17) eine elektrische Schaltungsanordnung ist, die eine Divisions- bzw. Inversionsschaltung (23), auf deren Eingang eine der Materialgeschwindigkeit (v) proportionale elektrische Spannung gegeben wird, ein Servo- Potentiometer (21) mit mehreren, durch einen Stellmotor (25) gleichzeitig veränderbaren Widerständen (R , R , R), einen Operationsverstärker (22), dessen einer Eingang mit dem Ausgang der Divisions- bzw.. Ihversionsschaltung (23) und dessen anderer Eingang mit der am einen der Widerstände (Rq) des Servo-Potentiometers abgegriffenen Spannung beaufschlagt ist und dessen Aus gangs spannung den Stellmotor (25) steuert, sowie einen Integrationskreis (20) mit einem zweiten Operationsverstärker (26) aufweist, welchem ein zweiter veränderbarer Widerstand (R_) des Servo-Potentiometers parallel geschaltet ist, und dass der Eingang des zweiterwähnten Operationsverstärkers (26) über einen dritten Widerstand (R₁) des Servo-Potentiometers mit dem Ausgang der ersten, die mechanische Mate rial spannung (T.) messenden

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Einrichtung (14) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Integrations schaltung (20) einen zum zweiterwähnten Widerstand (R₉) parallel geschalteten Kondensator (C) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergleichskreis (18) eine Teiler schaltung (19) nachgeschaltet ist, die einen durch die Radien der Zugrollen (2,4) gegebenen Untersetzungsfaktor Ra / Ra- Ra ) hat.

J- Ct ί
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichskreis (18) ein Differentialver-"stärker ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang der erwähnten, eine Verzögerung einführenden Anordnung (17) und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang der zweiten, die mechanische Materialspannung (T ) messenden Einrichtung (16) verbunden ist.

tu

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