DE3048710A1 - "verfahren zur pruefung des flaechengewichts von duennem material" - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. ein Prüfgerät zur berührungslosen Bestimmung des Flächengewichts bzw.
der Dicke von dünnem Material, wie beispw. Papier, Folien oder ähnl., wobei ein impulsförmig Ultraschall:-
wellen abstrahlender Sender das Material beschallt und ein Empfänger den vom Material kommenden Schall aufnimmt.
Die Anwendung von Schallwellen zur Bestimmung der Dichte
von Materialien unterschiedlichster Art ist seit längerer Zeit bekannt.
So wird beispw. in der DE-OS 15 48 170 ein Gerät beschrieben, mit dem berührungslos die Bestimmung des Flächengewichts
von Papier mit Schallwellen durchgeführt werden soll. Das zu prüfende Papier wird mit Hilfe eines Schallsenders
einem Schallfeld ausgesetzt, wobei die Schallfrequenz mit 15 kHz gewählt wird. Ein gegenüber dem Sender
oder auf der gleichen Seite des Senders angeordneter Empfänger nimmt den vom Papier kommenden Schallanteil auf.
Die empfangenäe Schallintensität wird als Maß für das Flächengewicht des Papiers genutzt.
Bei der Ankopplung von Schallwellen über Luft an ein gegenüber Luft wesentlich dichteres Medium, wie beispw.
Papier, ist der vom Papier reflektierte Schallanteil gerade bei höheren Schallfrequenzen sehr hoch. Das heißt,
daß sich dem Primär- bzw. Direktschall des Senders, der das Papier durchdringt und auf einem auf der gegenüberliegenden
Seite des Papiers angeordneter Empfänger gelangt, aufgrund von Mehrfachreflektionen zwischen Sender und Papier
bzw. Papier und Empfänger Schallanteile überlagern, die in ähnlicher Größenordnung liegen wie der Primärschall.
3O487io
Abhängig von der Lage des Papiers zwischen Sender und Empfänger schwankt die Phasenlage der störenden Schallanteile
relativ zur Phasenlage des Primärschalls. Das führt zu Überlagerungen mit erheblich schwankenden
Amplituden des im Empfänger registrierten Signals.
Es hat sich gezeigt, daß mit den in der DE-OS vorgeschlagenen
Geräten bzw. Verfahren keine ausreichend genauen und vor allem reproduzierbaren Ergebnisse erreicht
werden können. Die Schallisolierung im Sender- bzw. Empfängergehäuse, wie in der DE-OS vorgeschlagen, schafft
hier keine Abhilfe, da diese, abgesehen davon, daß sie nicht sehr wirksam durchgeführt werden kann, auf die Reflektion
zwischen Sender und Papier bzw, Papier und Empfänger keinen Einfluß hat. Bringt man, wie in einem Ausführungsbeispiel
der DE-OS gezeigt,bei gegenüberliegender Anordnung von Sender und Empfänger die Isolierung in den
"Strahlengang" zwischen Sender und Empfänger, wird die Primärenergie in gleichem Maße geschwächt. Das schlechte
Verhältnis zwischen Nutz- und Reflektions- bzw. Störsignal bleibt unverändert.
Das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignal wird noch erheblich ungünstiger, wenn, wie auch in der DE-OS vorgeschlagen,
der Empfänger auf der Seite des Senders angeordnet ist. In diesem Fall wird der ohnehin sehr schwache,
das Papier durchdringende Schallanteil an einer hinter dem Papier angeordneten Platte in Richtung Sender reflektiert
und ein zweites Mal in gleichem Maße durch das Papier geschwächt. Mit dieser Anordnung und den in der DE-OS vorgeschlagenen
Maßnahmen ist eine zuverlässige Bestimmung des Flächengewichts aus den oben genannten Gründen praktisch
ausgeschlossen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren bzw. ein Prüfgerät der o.g. Art vorzuschlagen, mit
dem eine sehr genaue und reproduzierbare Bestimmung des Flächengewichts von dünnem Material möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindunsgemäß dadurch gelöst, daß der
Empfänger um die Schallaufzeit zwischen Sender und Empfänger
verzögert eingeschaltet und vor dem Eintreffen systembedingter Störanteile am Empfänger wieder abgeschaltet
wird.
Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung
besteht somit darin, daß ein Zeitintervall für die Auswertung des Empfangst>ignals definiert wird. Das Zeitintervall
beginnt abhängig von der Schallaufzeit zwischen Sender und Empfänger mit dem Eintreffen des Primärschalls
am Empfänger und endet, bevor die ersten systembedingten Störanteile (reflektierte Schallanteile des Senderschalls
oder Schallanteile benachbarter Sender) am Empfänger eintreffen. Damit ist das zur Auswertung gelangende Meßsignal
frei von systembedingten Signalverfälschungen· Mit der Eliminierung der systembedingten Störanteile wird außerdem
erreicht, daß das Meßsignal in weiten Grenzen von Schwankungen der Papierlage vollständig unbeeinflußt
bleibt.
Neben den systembedingten Störanteilen können auch externe Störgeräusche das Meßergebnis verfälschen. Durch die beim
erfindungsgemäßen Verfahren gewählte hohe Schallfrequenz sowie durch ein spezielles, weiter unten genauer erläutertes,
Auswertverfahren wird der Einfluß der Umweltgeräusche .ebenfalls auf ein nahezu zu vernachlässigendes Maß reduziert.
Weiterbildungen und weitere Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
ORiGINAL INSPECTED
Dazu zeigt:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Prüfgerätes
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 5
Fig. 2 die elektronischen Baugruppen des Prüfgerätes im einzelnen,
Fig. 3 ein Impuls-Ablaufplan und
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10
Fig. 4 ein Prüfgerät zur großflächigen Abtastung.
Die Fig. 1 zeigt beispielhaft die schematische Darstellung des Prüfgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Das Gerät kann beispw. in Banknoten-Sörtierautomaten eingesetzt
werden, um das Flächengewicht von Banknoten zu bestimmen. Im Zuge der Flächengewichtsbestimmung ist es in
diesem Anwendungsfall ebenso möglich, Klebestreifen auf
Banknoten oder auch fehlende Teile an Banknoten zu erkennen. Eine weitere, bei Banknoten-Sortierautomaten wichtige Aufgabe
ist die Erkennung von sogenannten Doppel-und Mehrfachabzügen, um die Zählsicherheit der Automaten zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann gerade auch für diese Funktion, wie weiter unten näher erläutert, vorteilhaft
Anwendung finden.
Um bei der Prüfung eine hohe Auflösung bei möglichst hohen Banknoten-Transportgeschwindigkeiten zu erzielen,
ist die Impulswiederholfrequenz, die die Anzahl der Messungen pro Längeneinheit auf der Banknote in Transportrichtung
bestimmt, entsprechend hoch zu wählen.
Diese Frequenz wird jedoch begrenzt durch die Abklingdauer der Senderschwingung und der überlagerten reflektierten
Schallanteile. Die Abklingdauer einer durch einen Impuls erzeugten Schallschwingung ist umgekehrt proportional der
Bandbreite des die Schwingung erzeugenden Systems.
Neben der Impulswiederholfrequenz ist die Frequenz der
Senderschwingung von Bedeutung.
Mit jedem Senderimpuls wird der auf dem Empfänger gelangende Schallimpuls gemäß der Erfindung innerhalb des schon
oben definierten Zeitintervalls ausgewertet.
Aus Gründen eines guten Signal-Rausch-Abstandes sollte bei großer Senderleistung die Senderfrequenz möglichst so hoch
sein, daß mindestens ein Schwingungszug des Empfangssignals
während des Zeitintervalls ausgewertet werden kann.
Es hat sich gezeigt, daß sich für das erfindungsgemäße
Verfahren Elektret-ültraschallwandler besonders gut eignen. Die Wandler h^ben bei hoher Senderleistung eine ebenfalls
hohe Resonanzfrequenz mit breitbandigem Frequenzgang. Ein mit geeigneten Impulsen angeregter Elektretwandler erzeugt
aufgrund seiner Bandbreite eine stark gedämpfte Schwingung
bei seiner Resonanzfrequenz.
Wie in der Fig. 1 gezeigt, durchläuft die Banknote 1 die Sende-Empfangsanordnung 2,3 in mittiger Lage. In der
Sendersteuerung 4 werden nach Maßgabe der Ablaufsteuerung 6 in regelmäßigen Abständen zur Anregung des Senders 2
geeignete Einzelimpulse erzeugt. Der dabei vom Sender ausgelöste Schallimpuls wird größtenteils an der Banknote
reflektiert, über das durch den Schallimpuls in Bewegung
gesetzte Banknotenpapier pflanzt sich der nicht reflektierte Anteil des Senderschalls auf der Empfängerseite
fort.
Der Empfänger 3 erzeugt ein Analogsignal, das in der Signalaufbereitungsstufe 5 verarbeitet wird. In dieser
Stufe wird der Anteil dann, wie unten näher erläutert, innerhalb eines durch die Ablaufsteuerung 6 vorgegebenen
Zeitintervalls aufintegriert. Der Endwert des Integrators
wird in der im Baustein 6 enthaltenen Signalauswertung bewertet und zur Anzeige gebracht. Der in der Signalaufbereitungsstufe
5 ermittelte Integrationswert ist umgekehrt proportional zur Flächendichte des Papiers, was beispielweise
in der Anzeige 7 nach geeigneter Kalibrierung direkt in den entsprechenden Einheiten (g/m2) angezeigt
werden kann.
Die Ermittlung und Bildung des Integratiosnintervalls sowie weitere erfindungswesentliche Merkmale werden
anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben.
Der Beginn des Zeitintervalls zur Auswertung des Empfängerschalls
wird durch die Schallaufzeit zwischen Sender 2 und Empfänger 3 festgelegt.
Die Schallaufzeit wird in einer Baugruppe 10 der Ablaufsteuerung
6 immer dann gemessen, wenn sich kein Papier zwischen Sender 2 und Empfänger 3 befindet. Die Baugruppe
10 registriert in diesem Fall ein stark übersteuertes Signal am Ausgang des Verstärkers 11. Die Laufzeit wird
daraufhin durch eine Zeitmessung zwischen dem nächsten über den Impulsgenerator 4 auf den Sender 2 gelangenden
Impuls und dem nach Verzögerung am Empfänger erscheinenden korrespondierenden Impuls durchgeführt. In Banknoten-Sortierautomaten
kann die Laufzeitmessung jeweils in der Lücke zwischen zwei Banknoten durchgeführt werden. Durch
die Bestimmung der Laufzeit erübrigt sich eine exakte mechanische Justierung des Abstandes "d" zwischen Sender
und Empfänger.
Die fortlaufende Bestimmung der Laufzeit hat außerdem
den Vorteil, daß Laufzeitänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen der Luft zwischen Sender und Empfänger
automatisch berücksichtigt werden und somit das Meßergebnis nicht beeinflussen. Abhängig von der jeweils ermittelten
Laufzeit wird in der Ablaufsteuerung 6 die Verzögerung eingestellt, mit der nach einem Senderimpuls die
Integration des Empfangssignals beginnt.
Die Steuerung des Gerätes übernimmt ein auf die Ablaufsteuerung geführter Takt "A" ( siehe auch Fig. 3 ).
Dieser kann mit der Bewegung der Banknote synchronisiert sein. Abhängig vom Takt "A" wird in der Ablaufsteuerung
das Signal "B" generiert. Dieses Signal gelangt auf den Sender-Impulsgenerator 4, der die für die Ultraschallwandler
geeigneten Spannungsimpulse erzeugt (Signal "C")
Die steile Anstiegsflanke der Impulse sorgt für die Anregung bei der Resonanzfrequenz des Senders. Der Senderimpuls
erscheint-nach der Laufzeit Td am Empfänger. Das im Baustein 11 verstärkte Empfangssignal ist als Signal
"D" in der Fig. 3 dargestellt. Aufgrund der vorher durchgeführten Laufzeitmessung kann nun exakt mit dem Erscheinen
des Schallsignals am Empfänger das Torsignal 11F" gesetzt
werden. Das Signal gelangt auf den Schalter 13, der damit die Integration einleitet.
Bei mittig zwischen Sender und Empfänger geführter Banknote erscheint der erste reflektierte Schallanteil
(Sender-Banknote-Sender-Empfänger) nach der Laufzeit 2 Td,
da der Weg doppelt so lang ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Integration abgebrochen, bevor
nach der Laufzeit 2 Td der erste reflektierte Schallanteil erscheint.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ende des
Integrationstores (Signal "F") so gewählt, daß gerade
eine Periodendauer des Empfangssignalfe erfaßt wird. Um Schwankungen in der Lage der Banknote kompensieren zu
können, ist der Abstand "d" zwischen Sender und Empfänger abhängig von der Resonanzfrequenz so eingestellt, daß
die störenden reflektierten Schallanteile erst nach einem, diese Schwankungen kompensierenden Sicherheitsabstand,
nach Abschluß der Integration erscheinen. Die Integration einer vollen Periode 1st ein Sonderfall und in dem
Ausführungsbeispiel des besseren Verhältnisses wegen gewählt. Andere Formen sind ebenso möglich.
Nach dem Zurücksetzen des Integrators 15 mit dem Signal "E" wird das Empfangssignal zunächst positiv aufintegriert.
Nach Ablauf der halben Integrationszeit, was unter den gewählten Bedingungen im Nornialfall der halben
Periodendauer des Empfangssignals entspricht, wird das Signal invertiert. Dazu wird das Signal "G" einem Inverter
14 zugeführt, so daß der Integrator in der zweiten Integrationshälfte das invertierte Signal (Signal "H")
aufsummiert.
Diese Art der Integration hat einerseits den Vorteil, daß Störgeräusche herausgefiltert werden. Andererseits
werden bei der Integration Phasenverschiebungen des Signals berücksichtigt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei
einem sogenannten Doppelabzug, bei dem die Banknoten sehr eng aneinander liegen, die Phase des Empfangssignals verschoben
wird, während sich die Amplitude des Signals gegenüber der Prüfung der einzelnen Note nur sehr gering
verändert. In diesem speziellen Fall kommt der Integrator trotz nahezu unveränderter Eingangsamplitude aufgrund
der Invertierung des Signals in der Mitte des Integrationstores
zu einem geringeren Endwert, so daß auch in diesem Fall eine klare Aussage möglich wird.
Insbesondere für die Erkennung derartiger Doppelabzüge ist die Auswertung nur einer Periode des Empfangssignals
sehr vorteilhaft.
Das Frequenzverhalten der Auswertstufe ist mit dem Verhalten
eines Lock-IN-Verstärkers (Bandpaßverhalten) vergleichbar.
Externe Störgeräuschevspielen daher nur im
Bereich der Resonanzfrequenz eine Rolle.
Der Endwert des Integratorsignals (Signal "I") wird der
in der Ablaufsteuerung 6 enthaltenen und hier nicht näher spezifizierten Auswertstufe 17 zugeführt. Er kann
je nach Prüffunktion des Gerätes als Absolutwert, beispw.
umgerechnet in g/ma oder nach Vergleich mit vorgegebenen
Standartwerten in Form einer Ja/Nein Aussage, beispw. zur Anzeige eines Doppelabzuges, ausgegegben werden.
Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes, die zur großflächigen Abtastung von beispw.
Banknoten geeignet ist. Aufgrund der oben erläuterten speziellen Auswertmethode ist es möglich, die einzelnen
Sender-Empfängerpaare 2,3 flächendeckend auf engem Raum
nebeneinander anzuordnen, ohne daß sich die Signale der einzelnen Sender-Empfangsanordnungen gegenseitig stören.
Der minimale Abstand "A" der einzelnen Sender hängt vom Abstand "d" der einzelnen Sender-Empfangsanordnungen ab.
"A" wird so groß gewählt, daß der Schall eines benachbarten Senders erst nach dem Integrationstor an dem entsprechenden
Empfänger ankommt. Der Laufzeitunterschied des Schalls ( d2 - d1 )/C ( (^Schallgeschwindigkeit) muß
also größer sein als die Integrationstorlänge.
In dem erwähnten Ausführungsbeispiel wurde das erfindungsgemäße
Verfahren im Zusammenhang mit der Prüfung von Banknoten in Banknoten-Sortierautomaten beschrieben.
Die Erfindung kann mit gleichem Erfolg genutzt werden, um das Flächengewicht von Papier*· bzw. Folienbahnen
oder ähnlichen dünnen Materialien zu prüfen.
Leerseite
ORIGINAL INSPECTED
Claims (8)
- Verfahren zur Prüfung des Flächengewichts von dünnem MaterialPatentansprücheVerfahren bzw. Prüfgerät zur berührüngslosen Bestimmung des Flächengewichts bzw. der Dicke von dünnem Material, wie beispielsweise Papier, Folien oder ähnlichem, wobei ein impulsförmig Ultraschallwellen abstrahlender Sender das Material beschallt und ein Empfänger die vom Material kommenden Schallschwingungen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger um die Schallaufzeit zwischen Sender und Empfänger verzögert eingeschaltet und vor dem Eintreffen systembedingter Störanteile am Empfänger wieder abgeschaltet wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger die Schallschwingungen während eines Zeitintervalles aufintegriert, das mit dem Eintreffen des Primärschalles am Empfänger beginnt und endet, bevor reflektierte Schallanteile oder Schallanteile benachbarter Sender den Empfänger erreichen.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ekennzeichnet, daß das Zeitintervall einer oder das Vielfache einer Periode der Einpfangsschwingungen erfaßt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf einer halben Periode der Empfangsschwingung das dem Integrator zugeführte Signal invertiert wird.
- 5. Verfahren n^ch einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufzeit bestimmt wird, wenn sich kein Material zwischen Sender und Empfänger befindet.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Banknoten od.dgl. zwischen Sender und Empfänger durchlaufen, dadurch gekennz eichnet, daß nach jeder Dickenmessung die Schallaufzeit in der Lücke zwischen zwei Banknoten neu bestimmt wird.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur großflächigen Abtastung des Materials mehrere Sender-Empfängerpaare verwendet werden, deren Abstand voneinander so bemessen ist, daß der Primärschall eines benachbarten Senderserst nach Beendigung des Integrationsintervalles am entsprechenden Empfänger ankommt.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfänger und/oder Sender Elektretwandler vorgesehen sind.
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