DE3045581A1 - Vorrichtung zum messen der ausbreitungsgeschwindigkeit von eine sich bewegende materialbahn, insbesondere papierbahn, durchlaufenden ultraschallwellen - Google Patents

Vorrichtung zum messen der ausbreitungsgeschwindigkeit von eine sich bewegende materialbahn, insbesondere papierbahn, durchlaufenden ultraschallwellen

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DE3045581A1
DE3045581A1 DE19803045581 DE3045581A DE3045581A1 DE 3045581 A1 DE3045581 A1 DE 3045581A1 DE 19803045581 DE19803045581 DE 19803045581 DE 3045581 A DE3045581 A DE 3045581A DE 3045581 A1 DE3045581 A1 DE 3045581A1
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Gary Allen Baum
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Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. H. Weick;m_Ann:, Dipj_.r£HYs-..DrR-.,K~. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Dr. Ing. H. Liska
D/80
INSTITUTE OF PAPER CHEMISTRY
Appleton/ Wisconsin, V.St.A.
8000 MÜNCHEN 86, DEN-^
POSTFACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
File 38582
Vorrichtung zum Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von eine sich bewegende Materialbahn,insbesondere Papierbahn, durchlaufenden Ultraschallwellen
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3QA5581 7.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum ununterbrochenen Messen der mechanischen Eigenschaften von Papier und der Festigkeit des Papiers/ insbesondere auf eine Meßvorrichtung zum Bestimmen der mechanischen Eigenschäften und der Festigkeit des Papiers durch Meßvorgänge mittels Ultraschallwellen, die sich durch das Papier ausbreiten. Die Erfindung ist ganz allgemein auch auf das Vermessen von anderen Materialbahnen anwendbar.
Für nahezu alle Endverbrauchs-Anwendungsfälle für Papier oder Pappe bestehen bestimmte Festigkeitsbestimmungen. Es wurden Festigkeitsparameter erstellt, um die Reißfestigkeit, die Dehnungsfestigkeit, die Eindringfestigkeit, die Grenzfestigkeit, die Griffestigkeit usw. zu beschreiben. Die Festigkeitsparameter von Papier werden gewöhnlich durch unterschiedliche Zerstörungsversuche bestimmt. Dazu werden Proben von in Papierfabriken hergestelltem Papier verschiedenen Formen von Belastungen ausgesetzt, bis das Papier reißt oder einreißt.
Das Verfahren, die Papierfestigkeit lediglich mittels Zerstörungsversuche zu bestimmen, hat verschiedene Nachteile. Durch Zerstörungsversuche bestimmte Festigkeitsparameter können nur gemessen werden, nachdem das Papier hergestellt worden ist. Daraus ergab sich bisher, daß eine beträchtliche Menge von Papier hergestellt wurde, das nicht die gestellten Bedingungen erfüllte. Demzufolge wurden große Mengen von
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Papier verworfen. Weiterhin ist ein Zerstörungsversuch für Papier nur für die individuelle Probe des untersuchten Paiers wirklich gültig. Mit einem derartigen Verfahren kann nämlich nicht die Gleichmäßigkeit des Papiers gemessen werden, und die gewonnenen Meßergebnisse sind nicht repräsentativ. Natürlich werden die Meßergebnisse um so mehr repräsentativ/ je mehr Proben von dem Papier genommen werden. Es ist jedoch beispielsweise für denjenigen, der eine große Rolle Papier herstellt, nicht wünschenswert, aus deren Mitte Stücke von Papier herauszuschneiden. Deswegen wird praktisch derart verfahren, daß Proben nur jeweils genommen werden, wo das Papier geschnitten wird, d. h. jedesmal dann, wenn eine neue Rolle begonnen wird. Selbst eine mehrfache Probenentnahme stellt nicht sicher, daß ungleichförmige Bereiche des Papiers nicht Schwachstellen haben. In bestimmten Anwendungsfällen könnte ein schwacher Abschnitt des Papiers sehr ungünstige Folgen haben.
Es ist deshalb wünschenswert, das Papier für unterschiedliche Festigkeitsparameter während des Herstellungsvorganges zerstörungsfrei zu messen. Dies ist jedoch nicht direkt durchführbar. Papier wird in Papierfabriken in ununterbrochen sich schnell bewegenden Bahnen hergestellt.
Es ist bekannt, daß viele der Festigkeitsparameter von Papier auf den Young'sehen Elastizitätsmodul bezogen sind. Das bedeutet, daß, wenn ein veranschlagter Young'scher Elastizitätsmodul fortlaufend erzielt werden kann, allgemeine Abschätzungen der Festigkeit der sich bewegenden Papierbahn möglich sind. Desweiteren würde eine ununterbrochene Überwachung des- Young'sehen Elastizitätsmoduls ein Anhaltspunkt für die Gleichmäßigkeit der Papierbahn sein. Wie mit anderen Parametern des Papiers ist es nicht möglich, den Young'sehen Elastizitätsmodul fortlaufend direkt zu messen. Es wurde jedoch herausgefunden, daß eine Beziehung zwischen dem Young' sehen Elastizitätsmodul und der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen, die sich durch das Papier ausbreiten,
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• §.
besteht.
Deswegen ist derjenige, der die Geschwindigkeit der Ultraschallwellenausbreitung durch die Papierbahn ständig überwacht, in der Lage, den Young'sehen Elastizitätsmodul und demzufolge die Festigkeit und die Gleichmäßigkeit der Papierbahn abzuschätzen.
Nachdem der Vorgang der Wellenausbreitung durch Papier komplex ist, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit U von Ultraschallwellen durch Papier in einem vereinfachten Modell mit dem Young'sehen Elastizitätsmodul E durch die Formel
U2 = E/p{i - v(xy) -V(yx)) ,
ausgedrückt, wobei V(xy) und V(yx) die ebenen Poisson'sehen Zahlen oder Querdehnungszahlen und ρ die Dichte des Papiers bedeuten. Nachdem der Ausdruck (1V(xy)'V(xy)) typisch nahe 1 liegt, nämlich Werte zwischen 0.9 und 1.0 haben kann, kann E aus U2 abgeschätzt werden. Wenn U gemessen werden kann, ist es demnach möglich, eine Abschätzung des Young'sehen Elastizitätsmoduls vorzunehmen. Während des Betriebes wird es nicht wünschenswert sein, die Scheindichte ρ zu messen. Wenn Ua mit dem Basisgewicht multipliziert wird, einem Parameter, der indessen bereits routinemäßig beim Betrieb der Maschine gemessen wird, ist das Ergebnis jedoch ein Wert für die Dehnungsfestigkeit S (konstanter Koeffizient multipliziert mit der Dicke).Dies ist der Parameter, der mit der Dehnungsfestigkeit korreliert. Das bedeutet, daß, wenn sowohl das Basisgewicht als auch die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung der Maschinenlaufrichtung (MD) und in Richtung quer zu der Maschinenlaufrichtung (CD) gemessen werden können, die folgenden Größen ermittelbar sind:
(D UMD2 und UCD2
(Meßwerte der Festigkeit der Einheitsmasse in der Richtung
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MD bzw. CD),
() 3MD Und 8CD
(Dehnungsfestigkeit in der Richtung MD bzw. CD, die jeweils mit den Zugfestigkeiten in diesen Richtungen korreliert, und
(3) W3CD
(ein Wert aus der "quadratischen Form" oder der Anisotropie der Bahn).
Den Gleichungen (1) und (2) ist entnehmbar, daß dies Verhältnis nicht die Näherung mit sich bringt, die die Poisson'sehen Zahlen nach sich ziehen, die zuvor erwähnt wurden. Es ist außerdem nachgewiesen, daß das Anisotropie-Verhältnis R sehr gut mit ähnlichen Verhältnissen korreliert, die durch Belastungs-Verformungskurven bestimmt werden.
Die Feätigkeitswerte von Papier sind stark von Wechseln in den Abscheidungs-, Preß- und Trocknungsbedingungen abhängig. Das Messen der Festigkeitswerte kann zum überwachen dieser Bedingungen während des Papierherstellungsvorganges benutzt werden. Die Elastizitätsmoduln sind selbstverständlich ebenfalls sehr stark von dem Feuchtigkeitsgehalt abhängig, und es wäre notwendig, gleichzeitig eine Messung des Feuchtigkeitsgehaltes vorzunehmen, um die Resultate für diesen Effekt zu korrigieren. Das Anisotropie-Verhältnis, das abhängig von der Orientierung der Fasern und der Trocknungshemmung ist, ist völlig unempfindlich gegenüber wechselnden Feuchtigkeitsgehalten..
Die Festigkeitwerte und das Anisotropie-Verhältnis können zu Messungen der Produktqualität während der Herstellung der Papierbahn verwendet werden. Eine Einrichtung, die diese Parameter messen kann, könnte als Steuersensor oder als fortlaufend wirksamer Indikator für die Produktqualität verwendet werden.
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Verschiedene Faktoren erschweren die Messung der Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeit durch Papier. Die Maschine, die das Papier herstellt, erzeugt ebenfalls unterschiedliche, mechanisch bedingte Geräusche, die ebenfalls Ultraschallwellen-Anteile enthalten. Deshalb muß jede Übertragung von Ultraschallwellen durch Papier stark genug sein, um die Hintergrundgeräusche zu überdecken. Außerdem muß jeder der Ultraschallwellen-Empfänger sehr empfindlich sein. Jedes Signal aus dem Empfänger ist sehr schwach und muß verstärkt werden. Jede mechanische Meßanordnung erzeugt außerdem von sich aus einen bestimmten Betrag von mechanischen Geräuschen, was Schwierigkeiten hervorruft.
Der vorliegenden Erfindung liegt grundsätzlich die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Ultraschallwellen durch Papier zuverlässig mißt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patenanspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, die zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Räder hat, die jeweils eine Rollbewegung längs der sich bewegenden Papierbahn ausführen. Das erste Rad enthält einen sendenden Wandler. Wenn dieser Wandler das Papier bei jeder Umdrehung des Rades berührt, empfängt er ein elektrisches Signal von einem Signalgenerator und teilt dem Papier ein mechanisches Signal mit. Das zweite Rad enthält einen empfangenden Wandler, der ebenfalls das Papier bei jeder Umdrehung des Rades berührt. Dieser Wandler empfängt das Signal von dem Sender durch Aufnehmen des Ultraschallsignals aus dem Papier und setzt dieses Signal in ein elektrisches Signal um. Das Signal wird an eine messende und speichernde Einrichtung weitergeleitet, die die Ausbreitungs-
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geschwindigkeit der Ultraschallwellen mißt. Damit das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis ausreichend groß ist, enthält die Meßanordnung geeignete Mittel zur Störsignalverminderung und geeignete Signalverstärkungsmittel. 5
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer, Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen, die sich in einer sich bewegenden Papierbahn ausbreiten.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Verbindung mit einer elektronischen Meßeinrichtung.
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht eines Wandlers nach dem Stand der Technik, wie er zur Messung der Papierhärte benutzt wird.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht eines für die Benutzung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgeänderten Wandlers.
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Fig. 7 zeigt eine Vorderansicht des Wandlers gemäß Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die dazu benutzt wird, die Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Maschinenlaufrichtung
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(Richtung der Papierbahnbewegung) zu messen.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für die vorliegende Erfindung, mittels dessen die Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeiten sowohl in der Maschinenlaufrichtung als auch in der Querrichtung gemessen werden.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen gezeigt. Ein Paar seitlich versetzter Räder 14a und 14b führen längs einer sich bewegenden Papierbahn 12 eine Rollbewegung aus und halten Kontakt mit deren Oberfläche. Sie dienen zum übertragen von Ultraschallwellen beidseitig der Papierbahn 12. Das erste Rad 14a enthält einen ersten piezoelektrischen Wandler 16a, der der Papierbahn 12 ein Ultraschallsignal mitteilt. Das zweite Rad 14b enthält einen zweiten piezoelektrischen Wandler 16b, der die Papierbahn 12 zu einem geeigneten Zeitpunkt berührt, um die Signalwelle aufzunehmen, die von dem ersten Wandler 16a erzeugt wurde. Der zweite Wandler 16b setzt dieses Signal in ein elektrisches Signal um, das an eine elektronische Meßeinrichtung weitergegeben wird, die die Zeit mißt, die benötigt wird, das Ultraschallsignal von dem ersten Rad 14a zu dem zweiten Rad 14b laufen zu lassen.
Zum genauen Verständnis wird die Erfindung nun im einzelnen beschrieben.
Die für die Erfindung vorgesehenen Räder 14a und 14b sind an sich dem Fachmann bekannt. In der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise eine abgeänderte Version des Typs von Rädern, die von der Firma Consolidated Bathurst zur Prüfung der Papierhärte angeboten werden, benutzt. Die Räder 14a und 14b werden deswegen nicht näher im einzelnen beschrieben, als notwendig ist, um die Erfindung zu erläutern. Es werden lediglich solche Änderungen im einzelnen
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beschrieben, mit denen Räder nach dem Stand der Technik zur Verwendung in der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung angepaßt werden sollen. Wie die Räder nach dem Stand der Technik weisen die Räder 14 der vorliegenden Erfindung eingebaute piezoelektrische Wandler 16 auf. Die Ultraschallsignale werden zwischen den Rädern 14a und 14b übertragen. Auf den Rädern sind Quecksilberschleifringe vorgesehen, um einen elektrischen Kontakt zu externen Einrichtungen herzustellen.
Das erste oder sendende Rad 14a und das zweite oder empfangende Rad 14b werden von einer Plattform 18 gehalten, die oberhalb der sich bewegenden Papierbahn 12 positioniert ist. Die Papierbahn selbst wird von einer Haltevorrichtung gehalten, die zur Förderung der Papierbahn eine Vielzahl von RoI-len enthält. Die Räder 14a und 14b können derart positioniert sein, daß die Papierbahn 12 zwischen zwei in Längsrichtung voneinander entfernten Rollen 20 und den Rädern 14a und 14b der Vorrichtung, wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt, durchlaufen kann.
Der erste piezoelektrische Wandler 16a und der zweite piezoelektrische Wandler 16b sind an den Rädern 14a bzw. 14b angebracht, um einen Kontakt mit der Bahnoberfläche 22 zu bewirken. Jeder der piezoelektrischen Wandler 16a und 16b hat eine Oberfläche, die mit der Umfangsoberflache jedes der Räder 14a und 14b jeweils in einer Ebene liegt. Die Wandleroberfläche kann jedoch auch leicht aus der peripheren Oberfläche oder Umfangsoberflache 24 der Räder 14a und 14b hervorstehen, um einen guten Kontakt zwischen den piezoelektrisehen Wandlern 16a und 16b und der Papierbahn 12 sicherzustellen. Damit der empfangende piezoelektrische Wandler 16b das Signal empfängt, ist es notwendig, daß er sich zeitrichtig auf der Papierbahn 12 befindet, so daß er das Signal von dem sendenden piezoelektrischen Wandler 16a empfangen kann. Zu diesem Zweck sind die Drehungen des ersten Rades 14a und des zweiten Rades 14b durch eine Einstellstangen-Kettenmechanis-
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mus 25 synchronisiert. Der Einstellstangen-Kettenmechanismus 25 enthält eine Zeiteinstellstange 26, an deren koaxialen Enden Koaxial-Kettenzahnräder 28a bzw. 28b angeordnet sind. Eine Kette 30a bzw. 30b reicht von jedem Koaxial-Kettenzahnrad 28a und 28b zu einem damit zusammenwirkenden Kettenzahnrad 32a bzw. 32b. Diese Kettenzahnräder sitzen jeweils auf einer Welle 33a bzw. 33b, die das Rad 14a bzw. 14b trägt, das den piezoelektrischen Wandler 16a bzw. 16b enthält.
Eine Hauptschwierigkeit beim Entwerfen einer Vorrichtung 10 zum Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen durch eine sich bewegende Papierbahn 12 besteht darin, ein ausreichend großes Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis zu gewinnen. Zu dem geringen erzielbaren Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis kommt noch die schlechte Schall-Leitfähigkeit der Papierbahn 12. Das durch den zweiten oder empfangenden piezoelektrischen Wandler 16b empfangene Signal ist schwach in bezug auf das von dem ersten oder sendenden piezoelektrischen Wandler 16a erzeugte Signal. Die Papierherstellungsmaschine, auf der die Papierbahn 12 weiterbefördert wird, enthält sich drehende und schwingende Teile, die Störgeräusche zu dem zweiten piezoelektrischen Wandler 16b übertragen.Ferner entsteht durch das Rollen der Räder 14a und 14b auf der Papierbahn 12 eine Schwingung. Ein elektronisches Störgeräusch wird in den Quecksilberschleifringen, die die elektrischen Signale zu und von den rotierenden Rädern 14a und 14b übertragen, er zeugt. Diese Geräuschsignale werden an die externen Einrichtungen weitergegeben. Dementsprechend sind die Komponenten der Vorrichtung 10 derart ausgelegt und angeordnet, daß die Nebengeräusche zu minimieren sind und das Nutzsignal relativ zu dem Geräuschsignal anzuheben ist, so daß die Vorrichtung das Nutzsignal wirksam messen kann.
Um den Signalverlust durch die Papierbahn 12 zu minimieren, liegen die beiden Räder 14a und 14b relativ eng beieinander, d. h. etwa 20 cm voneinander entfernt. Der Abstand zwischen
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den Rädern ist jedoch nicht besonders kritisch, was die mit der Erfindung erreichbaren Ergebnisse betrifft. Die Schallgeschwindigkeiten und die Übertragungszeiten der Ultraschallwellen bei deren Durchlaufen des Papiers schwanken leicht. Es sind deshalb genau arbeitende Mittel erforderlich, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit messen zu können.
Um die Nebengeräusche zu vermindern, ist jedes Rad getrennt stoßgedämpft auf Tragelementen 37a und 37b montiert. Zur Achslagerung halten die Tragelemente 37a und 37b die Wellen 33a und 33b. Die Tragelemente 37a und 37b werden von der Plattform 18 über Stoßdämpfer 38 aus elastischem, schallabsorbierendem Material gehalten.
Da durch die Quecksilberschleifringe elektronische Geräusche erzeugt werden, ist in dem zweiten Rad 14b ein Vorverstärker 49 untergebracht, um das Signal aus dem zweiten piezoelektrischen Wandler 16b vor dessen übertragung über den betreffenden Quecksilberschleifring verstärken zu können.
Die piezoelektrischen Wandler 16a und 16b gemäß der vorliegenden Erfindung stellen eine Verbesserung gegenüber Wandlern 16' nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 5 gezeigt ist und in einem Rad gemäß dem Stand der Technik untergebracht ist, dar. Beim Stand der Technik ist ein Aluminiumknopf 50 in dem Rad 14 zum Berühren der Papierbahn 12 und zum übertragen eines Signals zu einem piezoelektrischen Kristall 52, der zwischen zwei Piezokristall-Abkeckplatten 54 eingebettet ist, untergebracht. Der Wandler 16' nach dem Stand der Technik hat sich als unzureichend für die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 herausgestellt, da das Signal, das er erzeugt, zu schwach ist. Dementsprechend wurden verbesserte Wandler, nämlich 16a und 16b, wie in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigt, zur Verwendung in der Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt. Die piezoelektrischen Wandler 16, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind oberhalb einer Grundplatte 60 der Räder 14 auf
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schallabsorbierenden Abstandshaltern 62, die vorzugsweise aus Teflon hergestellt sind, montiert, um die von den Rädern 14 kommenden Geräusche zu vermindern. Ein Aluminiumknopf 64 ist in einem größeren Abstand von der Grundplatte 60 und eine Aluminiumdämpfungsmasse 66 in einem kleineren Abstand von der Grundplatte 60 auf den Abstandshaltern 62 montiert. Dazwischen befindet sich ein Paar von Piezokristallplatten 68a, 68b, die vorzugsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat hergestellt sind. Zwischen den Piezokristallplatten 68 ist eine Elektrode 70 angeordnet.
Die Piezokristallplatte 68a steht in einem Oberflächenkontakt mit dem Aluminiumknopf 64 zur übertragung von Ultra- . se hai!schwingungen - Die zweite Piezokristallplatte 68b ist derart ausgewählt, daß sie phasengleich mit der ersten Piezokristallplatte 68a zum Zwecke einer Signalverstärkung schwingt. Die Aluminiumdämpfungsmasse 66 steht in einem Oberflächenkontakt mit der zweiten Piezokristallplatte 68b und reduziert so die Oberflächenreflexionen in der zweiten Piezokristallplatte 68b. Die Piezokristallplatten 68 stehen jeweils in einem Oberflächenkontakt mit der Elektrode 70 zum Zwecke einer elektrischen Signalübertragung zwischen diesen.
In Fig. 4 sind eine schematische Ansicht der Vorrichtung 10 sowie eine externe Meßeinrichtung gezeigt. Die elektronische Einrichtung besteht aus auf dem Markt verfügbaren Elementen, die dem Fachmann bekannt sind und demzufolge nicht weitergehend beschrieben werden, als notwendig ist, ihr Zusammenwirken mit der Ultraschall-Meßvorrichtung zu erklären. 30
Damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen durch die Papierbahn 12 gemessen werden kann, ist es notwendig, ein Signal, vorzugsweise eine dichte Folge von Sinuswellen, auf die Papierbahn 12 zu bringen, wenn der erste piezoelektrische Wandler 16a in Berührung mit der Papierbahn 12 steht. Wie zuvor erwähnt, sind die Drehungen des ersten Rades 14a und des zweiten Rades 14b durch die Wirkung des Einstellstangen-Ket-
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tenmechanismus 25 synchronisiert. Auf einer Seitenoberfläche 77 des zweiten Rades 14b ist ein Indikator 76 angebracht, der eine Oberfläche mit gegenüber der Seitenoberfläche 77 unterschiedlichen Lichtreflexions-Eigenschaften hat, so daß er durch einen Lichtstrahl-Positionsdetektor 78 erfaßt werden kann. Der Indikator 76 kann in Form eines nichtreflektierenden Oberflächenteils, der mit der blanken Seitenoberfläche 77 des zweiten Rades 14b einen Kontrast bildet, vorgesehen sein. Er ist derart angeordnet, daß er dem Lichtstrahl-Positionsdetektor 78 gegenübersteht, wenn sich der sendende piezoelektrische Wandler 16a auf der Papierbahn 12 befindet.
Die Position des Indikators 76 auf der Seitenoberfläche 77 des zweiten Rades 14b stellt eine geeignete Platzanordnung dar. Andere Plätze für den Indikator 76 sind jedoch ebenfalls geeignet. Es können unterschiedliche Mittel zum Ermitteln der Position des zweiten Rades 14b benutzt werden, ohne daß damit der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen würde. Jedoch wird ein Lichtstrahl-Positionsdetektor 78 bevorzugt, weil dabei das Rad 14 durch nichts berührt wird und folglich kein Nebengeräusch, das sonst entstehen könnte, in das System eingeführt wird.
5 Wenn der Lichtstrahl-Positionsdetektor 78 feststellt, daß sich der erste piezoelektrische Wandler 16a auf der Papierbahn 12 befindet, überträgt er ein Signal zu einer externen Steuereinheit 82. Diese Steuereinheit aktiviert eine Zeitmeßvorrichtung, die darin enthalten ist, und gleichzeitig damit einen Signalgenerator 84. Das Signal, daß von dem Signalgenerätor 84 erzeugt wird, wird durch einen Leistungsverstärker 86 verstärkt, der das verstärkte Signal an den ersten piezoelektrischen Wandler 16a über die Quecksilberschleifringe weitergibt.
Die beiden Piezokristallplatten 68a, 68b in dem ersten piezoelektrischen Wandler 16a setzen das elektrische Signal in
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Ultraschallwellen um, die der Papierbahn 12 über den Aluminiumknopf 64 des ersten piezoelektrischen Wandlers 16a mitgeteilt werden.
Die Ultraschallwellen breiten sich in der Papierbahn 12 aus und werden durch den Aluminiumknopf 64 des zweiten piezoelektrischen Wandlers 16b aufgenommen, der mit der Papierbahn 12 zeitrichtig in Verbindung steht, um das Signal aufzunehmen.
Praktisch berühren die beiden piezoelektrischen Wandler 16a und 16b die Papierbahn 12 im allgemeinen gleichzeitig, da
die Übertragungszeit durch etwa 20 cm Strecke der Papierbahn 12 extrem kurz ist. Die Ubertragungszeit variiert selbstverständlich, wie auch das Young'sehe Elastizitätsmodul der Papierbahn 12 variiert. Die berührende Bahnoberfläche 22 des
Aluminiumknopfes 64 des empfangenden piezoelektrischen Wandlers 16b ist lang genug, um die Papierbahn 12 über eine ausreichende Zeitlänge zu berühren, so daß sie mit der Papierbahn 12 in Kontakt steht, wann immer das übertragene Ultraschallsignal diese erreicht.
Das Signal, das von dem Aluminiumknopf 64 des zweiten piezoelektrischen Wandlers 16b aufgenommen wird, wird in ein elektrisches Signal durch die Piezokristallplatten 68 umgesetzt und an die Elektrode 70 übertragen, die zwischen diesen eingebettet ist. Das Signal durchläuft zunächst den Vorverstärker 49, der in dem zweiten Rad 14b untergebracht ist, und
anschließend die Quecksilberschleifringe in Richtung auf einen Verstärker 88, durch den dieses Signal weiter verstärkt wird. Das derart verstärkte Signal wird an die Zeitmeßein-
richtung in der Steuereinheit 82 weitergeleitet. Die Zeitmeßeinrichtung in der Steuereinheit 82 mißt die Zeit zwischen
der Initiierung des Signals und dem Empfang des elektrischen Signals, das durch den zweiten piezoelektrischen Wandler 16b erzeugt wird.
Der Zeitabschnitt, der durch die Zeitmeßeinrichtung gemessen wurde, enthält nicht nur die Zeit für die Übertragung der Ul-
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traschallwellen, sondern auch die elektrische Übertragungszeit in den Kabeln und der Elektronik sowie die Übertragungszeit für die Ultraschallwellen in den Rädern 14. Die Signalübertragungszeit in der Elektronik und den Rädern 14 kann vorherbestimmt werden und wird von der gemessenen Zeit durch Rechenmittel in der Steuereinheit 82 subtrahiert.
Die Recheneinrichtung in der Steuereinheit 82 kann weitere Rechenvorgänge durchführen, um die gemessene Zeit noch aussagekräftiger zu machen. Es wurde beispielsweise herausgefunden, daß die mittlere Übertragungszeit aus einer Vielzahl von Radumdrehungen ein besser fundiertes Ablesen der Geschwindigkeit als die gemessene Geschwindigkeit einer einzigen Umdrehung erlaubt. Die Recheneinrichtung kann dementsprechend so betrieben werden, daß sie die Übertragungszeiten für eine Vielzahl von Umdrehungen mittelt. Die Recheneinrichtung kann ebenfalls den Young'sehen Elastizitätsmodul aus den gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten errechnen.
Die Steuereinheit 82 erzeugt Ausgangssignale für unterschiedliehe Anzeigeeinrichtungen. So kann ein Ausgangssignal, das kompatibel mit einer Digitalanzeige 89 ist, derart erzeugt werden, daß die Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeiten ununterbrochen überwacht werden können, um einen Operator auf jede bedeutende Änderung in den mechanischen Eigenschaften des Papiers aufmerksam zu machen. Ein analoges Ausgangssignal kann von der Steuereinheit 82 an einen Blattschreiber (nicht gezeigt) geliefert werden, um Zustandskurven für das Papier, das hergestellt und durch die erfinduhgsgemäße Vorrichtung überwacht wird, zu erstellen.
Als Folgen der Faktoren, die bei der Papierherstellung vorkommen, differiert der Young'sehe Modul in Maschinenlaufrichtung üblicherweise von dem Young'sehen Modul in der Richtung quer zur Maschinenlaufrichtung. Die Vorrichtung 10, die in 5 den Figuren 1-4 gezeigt ist, mißt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen durch eine sich bewegende Papierbahn
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-2G-
12 quer zur Richtung der Mcu»chinenlaufrichtung.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung gezeigt, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10' die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in der Richtung der Maschinenlaufrichtung mißt. Diese Vorrichtung 10' ist im wesentlichen mit der Vorrichtung 10, wie sie zuvor beschrieben worden ist, identisch, allerdings mit der Ausnahme, daß Räder 14' in einem Abstand in Längsrichtung anstatt in Querrichtung, wie oben beschrieben, voneinander entfernt angeordnet sind.
Die Drehungen der Räder 14' in der Vorrichtung 10' zum Messen der Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeit in Maschinenlaufrichtung können durch eine Kette 30' synchronisiert werden, die direkt Kettenzahnräder 32' der Räder 14' miteinander verbindet.
Obwohl die Bewegung der Papierbahn 12 so betrachtet wird, daß sie die Messung der Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeit, insbesondere die in der Schallausbreitungsrichtung in Maschinenlaufrichtung, beeinflußt, kann die Geschwindigkeit der Papierbahn 12 als unwesentlich im Vergleich zu den Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeiten betrachtet werden. Typische Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Papier sind 2 χ 103 m/s bis 4 χ 103 m/s, während die typische Maschinenlauf geschwindikeit für die Papierbahn 30 m/s beträgt.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung enthält eine Vorrichtung 10", vergl. Fig. 9, vier Räder, die in einer allgemein quadratischen Konfiguration angeordnet sind. Ein erstes Rad 14a" überträgt ein Signal, das durch ein zweites Rad 14b" in einer Richtung quer zur Maschinenlaufrichtung,ebenso durch ein drittes Rad 14c" in der Richtung längs der Maschinenlaufrichtung aufgenommen wird. Eine solche Vorrichtung 10" kann die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in der Papierbahn 12 sowohl in der Richtung
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quer zur Maschinenlaufrichtung als auch in der Maschinenlaufrichtung gleichzeitig messen. Ein viertes Rad 14d", das diagonal gegenüber dem ersten Rad 14a" angeordnet ist, ist im allgemeinen ein leer mitlaufendes Rad, das aus Sym metriegründen vorgesehen ist, so daß die Papierbahn 12 auf beiden Seiten gleichartig gehalten wird. In dem vierten Rad 14d" kann jedoch ein empfangender Wandler angeordnet sein, um zusätzliche Information, beispielsweise überschlägige Poisson-Zahlen, bereitzustellen.
Nachdem die vorliegende Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, sind Modifikationen für den Fachmann naheliegend. Solche Modifikationen können vorgenommen werden, ohne daß dabei die technische Lehre der Erfindung, die durch die Patentansprüche gegeben ist, verlassen werden müßte.
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Claims (21)

  1. Patentansprüche:
    Vorrichtung zum Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von eine sich bewegende Material bahn, insbesondere eine Papierbahn, durchlaufenden Ultraschallwellen, dadurch g ekennzeichnet, daß ein rotierendes erstes Rad (14a) mit einer peripheren Oberfläche für einen ununterbrochenen Oberflächenkontakt mit der sich bewegenden Materialbahn oder Papierbahn (12) vorgesehen ist, daß ein Mittel zum Senden von Ultraschallwellen vorgesehen ist, das ein elektrisches Signal in Ultraschall schwingungen umsetzt, die sich durch die Papierbahn (12)ausbreiten, wobei dieses Mittel in dem ersten Rad (14a)derart angebracht ist, daß es die Papierbahn (12) berührt, daß eine Zündvorrichtung zum Übertragen eines elektrischen Signals zu dem Mittel zum Senden von Ultraschallwellen vorgesehen ist, die jedesmal dann wirksam wird, wenn dieses Mittel die Papierbahn (12) berührt, daß ein rotierendes zweites Rad (14b) vorgesehen ist, das in einem Abstand von dem ersten Rad (14a) angeordnet ist und eine periphere Oberfläche für einen ununterbrochenen Oberflächenkontakt mit der sich bewegenden Papierbahn (12) hat, daß ein Ultraschallwellen empfangendes Mittel zum Umsetzen der Ultraschallwellen in ein elektrisches Signal vorgesehen ist, wobei dieses empfangende Mittel auf dem zweiten Rad (14b) derart angebracht ist, daß es die Papierbahn (12) mit jeder Umdrehung des zweiten Rades (14b) berührt, um Ultraschallwellen von dem sendenden Mittel empfangen und daraus ein elektrisches Signal erzeugen zu können, daß ein Mittel zum Ausfiltern dieses elektrischen Signals vorgesehen ist, daß ein Mittel zum Verstärken des empfangenen und ausgefilterten elektrischen Signals auf dem zweiten Rad (14b) angeordnet ist und daß eine Zeitmeßeinrichtung zum Abmessen der Übertragungszeit für die Ultraschallwellen zwischen dem ersten Rad (14a) und dem zweiten Rad (14b) vorgesehen ist.
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  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rad (14a) und das zweite Rad (14b) stoßgedämpft gelagert sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rad (14a) und das zweite Rad (14b) längs einer Linie voneinander entfernt angeordnet sind, die allgemein rechtwinklig zu der Bewegungsrichtung der Papierbahn (12) verläuft.
    10
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e ke η η zeichnet, daß das erste Rad (14a) und das zweite Rad (14b) längs einer Linie voneinander entfernt angeordnet sind, die allgemein parallel zu der Bewegungsrichtung der Papierbahn (12) verläuft.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein drittes Rad (14c") mit einem zweiten Mittel zum Empfangen von Ultraschallwellen vorgesehen ist, wobei dieses zweite Mittel derart angeordnet ist, daß es die Papierbahn (12) mit jeder Umdrehung zu einem Zeitpunkt berührt, der geeignet ist, Ultraschallwellen von dem sendenden Mittel, nämlich einem Wandler, zu empfangen,daß ein zweites Mittel zum Verstärken auf dem dritten Rad (14c") angeordnet ist, um das elektrische Signal, das durch das zweite empfangende Mittel erzeugt wird, zu erhöhen, daß eine zweite Zeitmeßeinrichtung zum Abmessen der Übertragungszeit für die Ultraschallwellen zwischen dem ersten Rad (Ha") und dem dritten Rad (14c") vorgesehen ist, daß das zweite Rad (14b") von dem ersten Rad (14a") durch einen Abstand längs einer Linie voneinander entfernt angeordnet sind, die rechtwinklig zu der Bewegungsrichtung der Papierbahn (12) verläuft, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen τη der Richtung quer zur Maschinenlaufrichtung messen zu Können, und daß das dritte
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    Rad (14c") und das erste Rad (14a") durch einen Abstand längs einer Linie voneinander entfernt angeordnet ist, die parallel zu der Bewegung sr ichtui g der Papierbahn (1Γ) verläuft, um die Ausbreitungsgoschwindi· keit ler ültras^-hal.' wellen längs dt r Maschinenlauf richtung . esser :u Könner
  6. 6. Vorrichtung nach Ά κprucn , ladurch gekennzeichnet, daß ein zweit ·:■ Mitte _ ζ am Ver ;tärken außt:rhalb des zweiten Rades (14b) π weiter :n Erhöhung des daraus abgegebenen elektrischen Sign i! s vorg ;sehen isi:.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinrichtung zum Einstellen von Verzögerungszeiten der Ultr.i schal !signale in den Rädern vorgesehen ist..
  8. 8. Vorrichtung nach An.-.pruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reche κ inrich :ung auße -dem die Ultraschal." Übertragungszeiten für ei if; Viel: ihl von Ui idrehungen der Räder mittelt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch ], dadurcli gekennzeichnet, daß ein AusgaictssignaL erzeugt wird, das kompatibel
    mit dem Signaleingang einer digitalen Anzeigeeinrichtung ist. 25
  10. 10. Vorrichtung nach \j spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein analojt s Au ε: gangs signal erzeugt wird, das kompatibel mit dem Signaleingang eines Blattschreibers ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze ichnet, daß ein Lichtstrahl-Positionsdetektor (78),zum Aktivieren der Zündvorrichtung, wenn sich das sendende Mittel auf der Papierbahn (12) befindet, vorgesehen ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streifen mit lichtreflektierenden Eigenschaften, die unterschiedlich zu den lichtreflektierenden Eigen-
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    BAD ORIGINAL
    3Q45S81
    schaften der Oberfläche der Räder (14a, 14b) sind, auf der Oberfläche eines der Räder angebracht ist und daß der Lichtstrahl-Positionsdetektor (78) den Streifen bei jeder Umdrehung der Räder erfaßt und die Zündvorrichtung aktiviert. 5
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Synchronisierungseinrichtung die Drehungen des ersten Rades (14a)und des zweiten Rades (14b) koordiniert.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Synchronisierungseinrichtung eine Zeiteinstellstange (26) und eine Kettenverbindung für jedes der Räder (14a, 14b) mit der Zeiteinstellstange (26) hat.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß Ketten (30) vorgesehen sind, die das erste Rad (14a) mit dem zweiten Rad (14b) verbinden, um die Drehungen des ersten Rades (14a) und des zweiten Rades (14b) zu synchronisieren.
  16. 16. Wandler zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Knopf zum Berühren der Papierbahn (12) vorgesehen ist, um mechanische Signale zwischen diesen zu übertragen, daß eine erste Piezokristallplatte (68a) und eine zweite Piezokristallplatte (68b) mit einer zwischen diesen eingebetteten Elektrode (70) vorgesehen sind, wobei die erste Piezokristallplatte (68a) in einem Oberflächenkontakt mit dem Knopf steht, um mechanische Schwingungen zwischen diesen zu übertragen, daß die beiden Piezokristallplatten (68a, 68b) in Phase miteinander für eine Zwischenumsetzung der elektrischen Signale schwingen, die durch die Elektrode (70) und die mechanischen Signale des Knopfes vorgenommen wird, und daß Abstandshalter
    (62) vorgesehen sind, die den Knopf und die Piezokristallplatten (68a, 68b) oberhalb einer Grundplatte (60) festlegen und
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    -5-mechanische Signale von der Grundplatte (60) absorbieren.
  17. 17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Knopf ein Aluminiumknopf (50) ist.
  18. 18. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (62) aus Teflon hergestellt
    sind.
  19. 19. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dämpfungsmasse auf einer Oberfläche der zweiten Piezokristallplatte (68b) auf der dem Knopf abgewandten
    Seite vorgesehen ist, um Schallreflexionen von der abgewandten Oberfläche des Knopfes zu verringern.
  20. 20. Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmasse eine Aluminiumdämpfungsmasse
    (66) ist.
  21. 21. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokristallplatten (68a, 68b) aus Blei-Zirkonat-Titanat bestehen.
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