DE3130572A1

DE3130572A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der zugspannung in einer laufenden materialbahn, insbesondere einer papierbahn in papiermaschinen

Info

Publication number: DE3130572A1
Application number: DE19813130572
Authority: DE
Inventors: Stephen Allen Darien Ill. Locke
Original assignee: Beloit Corp
Current assignee: Beloit Technologies Inc
Priority date: 1980-08-13
Filing date: 1981-08-01
Publication date: 1982-03-11
Also published as: ES8204690A1; GB2082323A; MX151712A; GB2082323B; JPS5754831A; IT8123429A0; FI812391L; BR8105118A; US4335603A; KR830006686A; IT1137840B; KR840002374B1; CA1171513A; ES504714A0; PH17533A; DE3130572C2

Description

Unser Az.: PA I89 DE BELOIT CORPORATION

ßeloitj Wisconsin 53511,

280 Juli I98I

Verfahren und Einrichtung zur Messung der Zugspannung in einer laufenden Materialbahn,, insbesondere einer Papierbahn in Papiermaschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Zugspannung in einer laufenden Materialbahn, insbesondere einer Papierbahn in Papiermaschinen,

Wie bei der Papierherstellung und auch bei der Weiterverarbeitung von Papier allgemein bekannt ist, kann eine übermäßige Spannung einer laufenden Papierbahn zum Reißen der Papierbahn führen_s während eine unzureichende Spannung bei hohen Maschinenarbeitsgeschwindigkeiten ein Flattern der Papierbahnränder verursachen kann₅ was, wenn die Amplitude der Platterschwingungen zu groß wird, möglicherweise ebenfalls ein Reißen der Papierbahn zur Folge hat«, In beiden Fällen entstehen unerwünschte Maschinenstillstandszeiteno üblicherweise wird die Spannung der nicht unterstützten Papierbahn durch geringfügige Unterschiede der Maschinenlaufgeschwindigkeiten entlang der Papierbahn erzeugte Diese Laufgeschwindigkeitsunterschiede werden manuell gesteuert und müssen außerdem der

Schrumpfung der Papierbahn während ihres Durchlaufs durch die verschiedenen Maschinenabschnitte angepaßt werden. Die Steuerung der Papierbahnspannung durch Steuerung der Maschinenlaufgeschwindigkeiten stellt daher ein kritisches Problem dar und bedarf der häufigen überwachung.

Ein freier Zug (frei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stützstellen verlaufender Papierbahnabschnitt) ist notwendig, da die Papierbahn, während sie Wasser verliert, schrumpft. Die Schrumpfung in der Laufrichtung der Papierbahn wird durch die Änderungen der Maschinenlaufgeschwindigkeiten entlang der Papierbahn in gewissem Maße begrenzt. Die Papierqualität, beispielsweise Zugfestigkeit, Dehnbarkeit usw. wird daher von der Zugspannung in der Papierbahn beeinflußt.

In K.W. Britt, "Pulp and Paper Technology", zweite Auflage, Van Nostrant, 1970, Seite 468, wird ausgeführt: "Bisher ist kein erfolgreicher Versuch zur Automatisierung irgendeines der kritischen Züge auf einer Papiermaschine bekannt. Beispielsweise bei einer Maschine mit freiem Zug hat die Laufgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Maschinensieb und dem ersten Preßfilz einen wesentlichen Einfluß sowohl auf die Leistungsfähigkeit der Maschine als auch die Wirkung von deren mechanischen und/oder funktionellen Eigenschaften. Eine Technik zur Messung der Zugspannung in einem solchen freien Zug und zu dessen Einstellung, um die Zugspannung in der Papierbahn auf einem vorgegebenen Wert zu halten, wäre daher sehr vorteilhaft. Zwar ist gegenwärtig keine praktische Methode zur Messung dieser Zugspannung verfügbar, jedoch könnten optische Abtastmethoden und die Kenntnis der Papier-Rheologie (als Punktion des Feuchtigkeitsgehalts) einen Weg zu einer erfolgreichen Lösung eröffnen".

Wird eine gespannte Saite erregt, werden Transversalschwingungen erzeugt. Transversalschwingungen entstehen

)« et a O

auch, wenn eine Wasseroberfläche gestört wird_o In gleicher Weise werden bei Erregung einer gespannten Membran Transversalwellen erzeugt ο Bei vernachlässigbarer Biegesteifigkeit der Membran ergibt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Transversalwellen nach folgender Beziehung:

= —v/T g /w ■ (1)

wobei a = Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in m/s (ft/sec)

T = auf die Membranbreite bezogene Spannkraft

in K/m (Ib force/ft)

2 w = Flächengewicht der T^embran in kg/m

(Ib mass/ft²)

g = Umrechnungsfaktor 1 kgm/s N

O2_s17 Ib mass ft/sec² Ib force)»

In der US-PS 4 109 520 (Leif Eriksson) ist ein Verfahren zur Messung der Zugspannung in einer feststehenden Haterialbahn beschrieben, bei welchem die Materialbahn durch einen an sie angedrückten Lautsprecher mit einer Frequenz im Bereich der Resonanzfrequenz des Lautsprechers angeregt wird. Die Impedanz des Lautsprechers bei dieser Frequenz ist eine Funktion der Materialbahnspannungo

Aus der US-PS 2 661 714 (I₀Ao Greenwood et al.) ist ein Verfahren zur Messung der Dicke einer laufenden Materialbahn mittels Ultraschallanwendung bekannt _s wobei die Materialbahn an der Meßstelle unterhalb eines Luftdruckwellen erzeugenden piezoelektrischen Kristalls mit Orientierung I (flächensenkrechter Schnitt) gegen eine amboßartige Abstützung angedrückt werden muß_o

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde_s ein Ultraschallmeßverfahren zur Messung der Zugspannung in einem freien Zug in einer laufenden "laterialbahn zu finden»

-ψ-η,

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Demgemäß wird ein als Sender wirkender Ultraschallwandler an einer ersten Stelle eines freien Zuges der Materialbahn angeordnet, der jeweils einen Transversalwellenimpuls in der laufenden ^vIaterialbahn erzeugt. An einer in Laufrichtung der Z-laterialbahn hinter diesem Ultraschallwandler gelegenen zweiten Stelle wird ein als Empfänger wirkendes Mikrophon angeordnet, das den Transversalwellenimpuls empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Maschinenlaufgeschwindigkeit wird ebenfalls gemessen und als elektrisches Meßwertsignal einer elektronischen Rechnereinheit zugeführt, welche die Laufzeit der Transversalwellen zwischen Sender und Empfänger mißt und daraus unter Subtraktion der Laufgeschwindigkeit der Materialbahn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwellen ermittelt. Die Äusbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwellen steht in -direkter Beziehung zur Materialbahnspannung und wird berechnet, und das Ergebnis itfird direkt in Zugspannungseinheiten angezeigt.

Die elektronische Steuerschaltung erzeugt während eines Intervalls, während welchem der Transversalwellenimpuls empfangen werden sollte, ein elektronisches Fenster, um Rauschen und Echosignale auszuschalten. Außerdem sorgt eine Steuerschaltung für einen Mindestempfangsdauer-Zeitschwellenwert, um das System noch unempfindlicher gegen Rauschen zu machen. Infolgedessen interpretiert das Steuersystem Empfangssignale erst dann als tatsächlichen Empfang eines Wellenimpulses, nachdem der Wellenimpuls schon vorher über eine gewisse Mindestzeitdauer festgestellt worden ist.

Die Anwendung der Erfindung bringt verschiedene Vorteile. Vor allem findet Ultraschall Anwendung, um Signalinterferenzprobleme im Hinblick auf viel niederfrequentere

Geräusche in der Umgebung einer Papiermaschine zu vermeiden, so daß durch die Ultraschallanwendung eine schärfere, genauere Messung möglich ist„ Zweitens findet eine Kette von Impulsen hoher Frequenz Anwendung, so daß die vom Mikrophon erzeugten Signale über ein Bandpaßfilter mit nur mäßiger Bandbreite weiterverarbeitet werden können und infolgedessen nur Frequenzen im Bereich der Ultraschallsendernennfrequenz in die Schaltung durchgelassen werden» Da hohe Frequenzen stärker absorbiert (gedämpft) werden, als niedrige Frequenzen, gibt es einen optimalen Frequenzbereichs, und die Wahl der jeweiligen Frequenz hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall ab_o Die Berechnung der Zugspannung in der Materialbahn erfordert deren Flächengewicht j das wiederum sowohl vom Feststoffgehalt als auch vom Feuchtigkeitsgehalt abhängt und bei einem freien -Zug

2 2

einer Zeitungsdruckpapierbahn mit 52 g/m (32 lb/3000 ft ) angenommen werden kann,, Hochfrequenter Schall ist sehr richtungsabhängig und kann in Form eines engen Strahls erzeugt werden. Deshalb kann der Ultraschallsender mit größerem Abstand von der Materialbahn angeordnet sein als das Mikrophon, und das Mikrophon kann am besten nahe einer Walze angeordnet werden«, wo fremdinduzierte Materialbahn= auslenkungen kleiner werden und folglich das Signal/Rausch-Verhältnis besser ist»

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschriebene Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine

Zugspannungsmeßeinrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit einem freien Zug, beispielsweise einer Zeitungsdruckpapierbahn, wobei die Walzen an den beiden

Enden dieses freien Zuges zur

»ν *- ν ν « ν ₀*

uv a χμ- »ν · ·

Steuerung der Papierbahnspannung mit geringfügig unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben werden,

Flg. 2 eine graphische Darstellung der Aus

lenkung der Papierbahn in Form von Transversalwellen infolge eines Ultraschallimpulses mit beispielsweise 20 kHz, und die Wellenform der vom Mikrophon empfangenen

Signale einschließlich des Rauschens aufgrund von der Papiermaschine herrührender Sekundär well en. und der Echos,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Bahn-

spannungsmeßeinrichtüng nach der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der

an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 3 erscheinenden Signale,

Fig. 5 ein Flußdiagramm des Rechnerhaupt

programms für die Einrichtung nach Fig. 3,

Fig. 6 ein Flußdiagramm des Hilfsprogramms

zur elektronischen Fenstererzeugung,

und

FIg. 7 ein Flußdiagramm des Hilfsprogramms,

in xtfelches bei Unterbrechung des Mikroprozessors durch den die

Maschinengeschwindigkeitssignale

liefernden Walzengeschwindigkeitswandler eingetreten wird_o

Zunächst wird auf die Pig» 1 und 2 Bezug genommene In Fig. 1 ist ein freier Zug 10 einer Papiermaschine dargestellt, der zwei Walzen 12 und 14 aufweist, die eine in Pfeilrichtung laufende Papierbahn 16 führen,, Das Bedienungspersonal nuß die Drehzahl jeder der beiden Walzen 12 und 14 so einstellen, daß die Papierbahnspannung innerhalb eines annehmbaren Bereiches bleibt„ Die Papierbahn wird durch eine Reihe von Schwingungen eines Ultraschallhorns 18 zu vertikalen Schwingungen angeregt_s um eine Transversalwelle zu erzeugen, die sich entlang der laufenden Papierbahn 16 zu einem Mikrophon 22 hin ausbreitete Das Zeitintervall zwischen der Aussendung des Ultraschallsignals und dem Empfang der Welle am Mikrophon 22 steht mit der Laufgeschwindigkeit der Papierbahn und der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Papierbahn in Beziehung₀ Daher muß die Laufgeschwindigkeit der Papierbahn (Maschinengeschwindigkeit) subtrahiert werden, um die reine Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Papierbahn zu erhalten» Zu diesem Zweck ist der Walze 14 ein riaschinengeschwindigkeitsfühler 24 zugeordnet j, der ein die Maschinengeschwindigkeit darstellendes Signal erzeugt. Das Maschinengeschwindigkeitssignal und das vom Mikrophon 22 empfangene Signal werden einer elektronischen Papierbahnspannungsmeßschaltung 20 zugeführt, welche aus diesen beiden Eingabedaten die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit errechnet und in ein Ausgangs signal umsetzt, das die Papierbahnspannung darstellt₀ Dieses Ausgangssignal wird zur Information des Bedienungspersonals einer Anzeigeeinheit 26 zugeführt.

Fig. 2 zeigt die vertikalen Auslenkungen der Papierbahn an der Stelle 28 in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden Schwingungsgruppen, von denen beispielsweise zwei Schwingungsgruppen 30 und 32 dargestellt sind, die durch

die aufeinanderfolgenden Ultraschallsignale des Ultraschallhorns .18 erzeugt itferden. Zwischen den Schwingungsgruppen erscheinen noch kleinere Auslenkungen infolge von fremdinduzierten Störungen aus der Papiermaschxne.

Im unteren Teil der Fig. 2 sind durch die Linie 34 die vom tlikrophon 22 empfangenen Signale dargestellt, die jeweils eine Schwingungsgruppe 4U aufweisen, die direkt von dem unmittelbar zuvor gesendeten Ultraschallsignal bzw, der dadurch verursachten Schwingungsgruppe an der Stelle 28 (hier also von der Schwingungsgruppe 30) herrühren, und die außerdem zusammengesetzte Echoschwingungen bzw, 38 von früheren Ultraschallsignalen Sekundärwellen sowie die kleineren, von der Papiermaschine verursachten Rauschschwingungen enthalten. Die Sekundärwellen gehen von dem Ultraschallhorn aus und breiten sich entgegen der Laufrichtung der Papierbahn entlang dieser aus. Wenn jedoch die Laufgeschwindigkeit der Papierbahn größer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Sekundärwellen ist, bewegen diese sich, auf feste Koordinaten bezogen, ebenfalls in Laufrichtung der Papierbahn und erreichen das Mikrophon zu einem späteren Zeitpunkt als die Primärxtfellen 40 und lassen sich auf Laufzeitbasis von diesen unterscheiden.

Nunmehr wird auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, die eine Schaltung und zugehörige Signalformen der erfindungsgemäßen Papierbahnspannungsmeßeinrichtung darstellen. Die Schaltung weist einen im Hinblick auf die einfachen, zur Ausführung der Erfindung notwendigen Funktionen leicht programmierbaren Mikroprozessor 42 auf, der neben dem reinen Rechnerteil einen Speicher, einen Stromversorgungsteil und Signalaufbereitungsschaltkreise enthalten kann. Der Mikroprozessor 42 empfängt das Maschinengeschwindigkeitssignal 44 von einem Walzendrehzahlfühler 46, bei itfelchem es sich einfach um einen von der Walze mitgenommenen magnetischen Impulsgeber handeln kann, der

pro Walzenumdrehung einen Impuls erzeugt„

Der Mikroprozessor 42 ist so programmiert_s daß er die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet:

vjob ei	10	k
	D
	t
a

(D + t),

Walzendurchmesser in m (ft) Dicke der Papierbahn in m (ft) Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in m/s (ft/sec)

Y = Abstand zwischen Horn und Mikrophon in m (ft)

m - Zeitintervall zwischen Beginn der m

Sendeschwingungen und Beginn des wirksamen Empfangs einschließlich d . in s (see)

d . = minimale Empfangsverzögerung zur

mm *- ο oo

Rauschunterdrückung in s (sec)_s und V = Zeitdauer einer Walzenumdrehung in s (see)

Außerdem ist der Mikroprozessor so programmiert₉ daß er daraus die Papierbahnspannung gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet:

T = a²w/g . (3)

die sich durch Auflösung der eingangs angegebenen Gleichung (1) nach T ergibt„

Zur Ausführung dieser Funktionen erzeugt der Mikroprozessor 42 eine Rechteckwelle 48 mit Ultraschallfrequenz ₉ die einem Leistungsverstärker 50 zugeführt wird, der das

-1/- ie

Ultraschallhorn 52 zur Anregung der Papierbahn zu Transversalschwingungen speist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist j werden die Ultraschallschwingungen mit einer HaIbperiodendauer d erzeugt und jeweils nach einem Intervall d wiederholt. Die sich ergebenden Transversalwellen breiten sich entlang der Papierbahn aus und bewegen sich zusammen mit der laufenden Papierbahn zu dem t-iikrophon '5¹I₃ wo sie empfangen und in elektrische Signale umgesetzt werden, die sodann in einem Verstärker 56 verstärkt werden.

Die verstärkten Signale gelangen durch ein Bandpaßfilter bO, so daß sich ein Ausgangssignal 62 der in Fig. 4 dargestellten Form ergibt. Dieses Signal 62 wird gleichgerichtet und gefiltert. Ausreichend starke" Signale gelangen durch eine Schmitt-Trigger-Schaltung 65 hindurch zu einer Torschaltung 66_S wo sie aufgrund eines vom Mikroprozessor bereitgestellten Torsignals 68 als Eingangssignal 70 in den 'likroprozessor 42 gelangen.

Das Torsignal 68 stellt ein elektronisches Fenster dar, das jeweils nur während einer geringfügig längeren Zeit als der erwarteten Empfangsdauer der Transversalwelle geöffnet ist, wobei das Fenster nach einer Zeit d seit dem Beginn der UltraschallausSendung geöffnet und nach einer Zeit d_ü ebenfalls nach Beginn des Sendesignals geschlossen wird. Signale, die außerhalb der Zeitdifferenz zwischen d und d. vom Mikrophon empfangen werden, werden als Rauschen, ßchos usvi. interpretiert und unterdrückt.

Um die Rauschunempfindlichkeit weiter zu verbessern, muß das Signal 70 außerdem während einer Mindestdauer d .

mm

empfangen werden.

Eingabeeinheit 72 dient zur Eingabe von Alarmgrenzwerten und der Zeitintervalle d , d , d und d. sowie eines Paraneters n, der die Impulsdauer des Ultraschallsignals darstellt.

Pig. 5 zeigt ein Flußdiagramm eines Programms zur Ausführung der obigen Rechnerfunktion mit einem Pro;;rammanfang BO. In der nächsten Ünerationsstufe werden Unterbrechungen gesperrt j ein Zähler wird auf Null gestellt und ein FLAG wird = 0 gesetzte Ein mit "CLOCK" bezeichnetes Uhrzeitgebersignal wird im Speicher an einer Stelle "CLOCKSAVE" eingespeicherte Damit sind die Anfangsparameter festgelegt. Der nächste Programmschritt besteht in der Beaufschlagung der Ausgabeleitung 48 (Figo 3)_s um den Leistungsverstärker 50 so lange anzusteuern, daß er einen Signalimpuls von beispielsweise 10 Perioden mit einer Frequenz von .beispielsweise 20 oder 22 kHz erzeugte Bei jedem Sprung des Signalzustands wird im Zähler eine "1" hinzuaddiert (bei 86), und es ist eine Software-Verzögerungsschleife 88 vorgesehen, bevor bei 90 bestimmt wird, ob der Zählerstand kleiner als η ist, wobei η die Gesamtzahl der verlangten Signalzustandssprünge ist_o Eat der Zählerstand den Wert η noch nicht erreicht, wird die Ausgabeleitung vielter beaufschlagt» Nach η Zählungen wird in ein Fenster-Hilfsprogramm eingetreten (bei 92), und die durch das Fenster-HiIfsprogramm berechnete Papierbahnspannung wird durch ein Hilfsprogramm "READOUT" (bei 94) angezeigt. Danach wird das Zeitintervall seit dem Beginn eines Ultraschallimpulses bestimmt und mit dem Intervall d verglichen, und wenn das Intervall d kleiner ist, wird die obige Operation wiederholt. Ist das Intervall d noch nicht erreicht worden, sind Unterbrechungen erlaubt, nämlich bei 98, und das elektronische Fenster-Hilfsprogramm wird erneut eingeleitet.

In Figo.6 ist das Hilfsprogramm für die elektronische Fenstererzeugung dargestellt, das einen START 100 aufweist, bei welchem eine CLOCK-minus-CLOCKSAVE-Bestimmung bei 102 und eingeleitet wird. Ist diese Zeitspanne kleiner oder gleich d, und größer als dj,, wird GATEX = "0" gesetzt und es findet bei 106 ein Rücksprung auf das Hauptprogramm statt. Anderenfalls

wird die GATEX-Leitung auf "1" gesetzt.

Solange die Leitung 68 auf "1" gesetzt bleibt, kann das Signal vom Mikrophon 5^ durch das UHD-Glied 66 hindurchpassieren. Sodann findet eine Feststellung statt, ob ein FLAG den Wert "1" hat. Ist dies nicht der Fall, ist bei ein Poieksprung vorgesehen. Dieser FLAG-Test läßt je ^TJltraschallimpuls nur eine Berechnung der Papierbahnspannung zu. Falls jedoch bei 116 FLAG = "O" festgestellt wird, wird geprüft, ob die Leitung 70 während einer Zeitspanne d _ den Zustand "1" hatte. Falls nicht, ist bei 118 ein Rücksprung vorgesehen. Falls dies jedoch der Fall ist, wird FLAG = "1" gesetzt, nämlich bei 120, und die Wellenausbreitungsgescnwindigkeit wird berechnet, so daß die Papierbahnspannung berechnet werden kann. Bei 122 ist außerdem vorgesehen, daß ein Alarm ausgelöst wird, wenn die Papierbahnspannung außerhalb von durch die eingestellten Alarmgrenzwerte vorgegebenen Grenzen liegt. Danach findet ein Rücksprung auf das Hauptprogramm statt, in welchem die Papierbahnspannung durch ein Ausgabehilfsprogramm angezeigt wird, nämlich bei 94. Bei wird, wenn das Zeitintervall größer als d ist, ein neuer Start des Hauptprogramms eingeleitet.

Der -valsendrehzaiilfühler ist an eine Unterbrechungsleitung angeschlossen. Jei einer durch den Walzendrehzahlfühler verursachten Unterbrechung wird in das in Fig. 7 dargestellte Hilfsprogramm eingetreten, falls Unterbrechungen zugelassen sine... Dieses Hilfsprogramm beginnt bei 126 und bestimmt im nächsten Programmschritt die Zeitspanne für eine "'.'alzenumdrehung, die gleich der Zeitspanne (CLOCK minus CLOOKSAVLS) ist. Sodann wird CLOCKS gleich dem Wert der ütirzeitcebereinstellung 130 gesetzt, wonach bei 132 ein '»äcksprung stattfindet.

Das Ausgabe-Abiaufdiagramm ist aus Gründen der Einfachheit hier nicht beschrieben. Es umfaßt grundsätzlich die Über-

2/-

tragung der im Speicher gespeicherten'Papierbahnspannung zu einer Anzeigeeinheit (Figo 3)_s die beispielsweise eine 'leihe von Siebensegment-Leuchtdioden-Anzeigeelementen aufweist, Sind drei signifikante Stellen auszugeben_s sind_s .lultiplexbetriebsweise zur Datenübertragung vorausgesetzt 7 + 3 = 10 Ausgabeleitungen erforderlich,

Falls die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit größer als die Laufgeschwindigkeit der Papierbahn ist₉ kann die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit der sich entgegen der Laufrichtung der Papierbahn ausbreitenden Wellen gemessen werden, indem das Mikrophon in Papierbaiiniaufrichtung vor dem Ultraschallhorn angeordnet wird„ Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Papierbahn kann dann berechnet werden-, indem der 3etrag der Laufgeschwindigkeit der Papierbahn zu der auf feste Koordinaten bezogenen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit hinzuaddiert wird«,

Leerseite

Claims

PA 189 DE -.* - '■ ··

28.JuIi 1981 ·* « ; „ : ll°*~ S^iöjt Korporation

O- · 1 Λ

Patentansprüche

/ 1.) Verfahren zur Messung der Zugspannung in einer laufenden Materialbahn₉ dadurch gekennzeichnet , daß

a) die Laufgeschwindigkeit der Materialbahn gemessen wird_s

b) an einer ersten Stelle des von der Materialbahn zu durchlaufenden Weges durch Ultraschallschwingungen Transversalwellen in der Materialbahn erzeugt werden₉

c) die Transversalwellen an einer zweiten Stelle des von der Materialbahn zu durchlaufenden Weges abgetastet werden,, und

d) das Zeitintervall zwischen der Abgabe der Ultraschall schwingungen an der ersten Stelle und der Erfassung der Transversalwellen an der zweiten Stelle gemessen und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit unter vor» zeichenrichtiger Subtraktion der ■•laterialbahn-Lauf-= geschwindigkeit zxiischen den beiden genannten Stellen als Maß für die Materialbahnspannum·; bestimmt wird₀

2. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet j daß ein elektrisches Signal mit Ultraschallfrequenz erzeugt und dieses Signal einem an der ersten Stelle befindlichen Ultraschallwandier zu·= geführt wird ο

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2_S dadurch gekennzeichnet j, daß bei der Erfassung der Transversalwellen geprüft xtfird_s ob die seit Beginn der Abgabe der Ultraschallschwingungen gemessene

-V-

Empfangszeit innerhalb des zwischen einem Minimalintervall und einem Maximalintervall liegenden Bereiches fällt, und daß alle nicht in diesen Bereich fallenden Empfangssignale unterdrückt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei der Erfassung der Trans-, versalwellen das elektrische Ausgangssignal des Empfangswandlers gefiltert wird, um im wesentlichen alle nicht von den Transversalwellen herrührenden elektrischen Signale zu unterdrücken.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ermittlung der Materialbahn- spannung folgende Maßnahmen umfaßt: ■

dl) Tastung des dem Ultraschallwandler zugeführten elektrischen Signals im Sinne der Erzeugung sich wiederholender Reihen von Ultraschallschwingungen,

d2) Messung der Laufzeit der Transversalwellen zwischen Abgabe der Ultraschallschwingungen und Erfassung der Transversalwellen am Empfangswandler und Berechnung der Summe der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und der auf ortsfeste Koordinaten bezogenen Materialbahn-Laufgeschwindigkeit aus diesem Laufzeitwert,

d3) digitale Erfassung der Materialbahn-Laufgeschwindigkeit und Auswertung derselben zur Korrektur der auf feste Koordinaten bezogenen (Jeschwindigkeitssumme zwecks Erhalt der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Materialbahn, und

d4) Berechnung der Materialbahnspannung aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Materialbahn

nach der Gleichung

T = a²w/g

wobei T = Materialbahnspannung

a = Wellenausbreitungsgeschwindigkeit

w = Flächengewicht der Materialbahn

ρ
k/rm/s N- (Ib mass

Umrechnungsfaktor,

2

C = kjrm/s N- (Ib mass ft/Ib force sec -)

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5_S dadurch gekennzeichnet _s daß eine Punktion des Zeitintervalls und der Materialbahn-Laufgeschwindigkeit in einer in Materialbahnspannungseinheiten geeichten Anzeigeeinheit angezeigt wirdo

7«, Verfahren zur Messung der Zugspannung in einer laufenden Materialbahnj dadurch gekennzeichnet _s daß
20

a) die Materialbahn an einer ersten VJegsteile mit einem Ultraschallimpuls beaufschlagt xtfird₃ um Transversalwellen in der Materialbahn zu erzeugen_s

b) ein Zeitgeber bei Beginn des Ultraschallimpulses gestartet

c) die Transversalwellen an einer zweiten Wegstelle empfangen und in elektrische Signale umgesetzt werden^

d) der Zeitgeber durch diese elektrischen Signale gestoppt wird j,

e) Die Summe aus Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und Laufgeschwindigkeit der Materialbahn relativ zu

einem ortsfesten Bezugspunkt aus dem mittels des Zeitgebers ermittelten Zeitintervall berechnet wird,

f) von der auf feste Koordinaten bezogenen Summe aus Materialbahn-Laufgeschwindigkeit und Wellenausbreitungsgeschwindigkeit die Materialbahn-Laufgeschwindigkeit vorzeichenrichtig subtrahiert wird, um die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwellen relativ zur Haterialbahn zu erhalten, und

g) der Wellenausbreitungsgeschwindigkeitswert in einen Materialbahnspannungswert umgesetzt und dieser angezeigt wird.

8. liinrichtung zur Messung der Zugspannung in einer laufenden Materialbahn₃ gekennzeichnet durch

a) Mittel (24) zum Messen der Laufgeschwindigkeit der Materialbahn (16),

b) Mittel (18) zur Beaufschlagung der Materialbahn mit Ultraschallschwingungen an einer ersten Stelle des von der Materialbahn zurückzulegenden Weges,

c) Mittel (22) zur Erfassung der durch die Ultraschallschwingungen hervorgerufenen Transversalwellen in der Katerialbahn an einer zweiten Stelle des Weges, und

d) Mittel (20) zur Messung des Zeitintervalls zwischen der Abgabe der Ultraschallschwingungen und der Erfassung der Transversalwellen und zur Ermittlung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Materialbahn unter vorzeichenrichtiger Subtraktion

6 0 :

der Materialbahn-Laufgeschwindigkeit und zur Berechnung der Materialbahnspannung aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Materialbahn.

9. Einrichtung nach Anspruch 7₉ dadurch gekennzeichnet,, daß die Mittel zur Beaufschlagung der Materialbahn mit Ultraschallschwingungen aufweisen:

bl) Mittel (42) zur Erzeugung eines elektrischen Signals mit Ultraschallfrequenz₉

b2) einen Ultraschallwandler (52) _s und

b3) Mittel (50) zur Speisung des Ultraschallwandlers mit dem elektrischen Signal«

10„ Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9_S dadurch gekennzeichnet _s daß die Mittel zur Erfassung der Transversalwellen aufweisen; 20

el) Mittel (42) zur Prüfung_s ob die gemessene Empfangs= zeit innerhalb eines zwischen einem Minimalintervall und einem Maximalintervall liegenden Bereiches liegt_s und
25

c2) Mittel (66) zur Unterdrückung aller nicht in diesem Zeitbereich liegenden Empfangssignale_o

H₀ Einrichtung nach Anspruch 9 _s dadurch g e k e η η zeichnetj daß die Mittel zur Erfassung der Transversalwellen ferner aufweisen:

c3) Filtermittel (60) zum Ausfiltern im wesentlichen aller nicht von den Transversalwellen herrührender elektrischer Signale aus dem Ausgangs signal eines

♦ * we

die Wellen in elektrische Signale umsetzenden Empfangswandlers (22).

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung der Materialbahnspannung aufweisen:

dl) Mittel (42) zum Tasten des dem Ultraschallwandler zuzuführenden elektrischen Signal zur. Erzeugung sich x^ied er ho lender Reihen von Ultraschallschwingungen,

d2) Mittel (42), welche die "bereitgestellten elektrischen Signale digital darstellen und Signale,· die annehmbar sind, dem Minimum-Maximum-Zeitintervalltest unterziehen und alle anderen Signale unterdrücken, und welche mittels der verarbeiteten digitalisierten Signale einen Zeitgeber stoppen,

d3) Mittel (42) zur Ermittlung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zu einem ortsfesten Bezugspunkt aus dem Zeitintervall,

d4) Mittel (42, 46) zur digitalen Darstellung der Materialbahn-Laufgeschwindigkeit und zur vorzeichenrichtigen Subtraktion derselben zur Gewinnung der reinen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Materialbahn, und

d5) Mittel (42) zur Berechnung der Materialbahnspannung aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Materialbahn nach der Gleichung

T = a²

wobei ΐ = Materialbahnspannung,

a = Wellenausbreitungsgesehwindigkeit

= Flächengewicht der Materialbahn

2
kgm/s N- (Ib mass

Umrechnun^sfaktorc

2 ρ

= kgm/s N- (Ib mass ft/Ib force sec -)

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch Mittel (78) zur Anzeige einer Funktion des ZeitIntervalls und der Materialbahn-Laufgeschwindigkeit in Form von i'iaterial-

bahnspannungswert-erio
10

14„ Einrichtung zur Messung der Zugspannung in einer laufenden Materialbahn_s gekennzeichnet durch:

a) erste Mittel (24) zur Messung der Materialbahn-Laufgeschwindigkeit und zur Erzeugung eines diese darstellenden ersten elektrischen Signals_s

b) zweite Mittel (18), die an einer ersten Wegstelle der Materialbahn diese mit Ultraschallschwingungen anregen, welch letztere sich entlang der laufenden Materialbahn ausbreitende Transversalwellen hervorrufen,

c) dritte Mittel (22), die an einer mit Abstand an den zweiten Mitteln gelegenen Wegstelle nahe der Materialbahn (16) angeordnet sind und die Transversalwellen erfassen,, und

d) vierte Mittel (20) zur Messung des Zeitintervalls zwischen der Anregung der Materialbahn mit den Ultraschallschwingungen und der Erfassung der Transversalwellen und zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals_s wobei diese vierten Mittel fünfte Mittel zur Berechnung der Materialbahn-Lauf=

geschwindigkeit mit Bezug auf einen ortsfesten Bezugspunkt, weiter sechste Mittel zur vorzeichenrichtigen Subtraktion dieser Materialbahn-Laufgeschwindigkeit zum Erhalt der reinen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit relativ zur Materialbahn, sowie siebte Mittel zum Umsetzen der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in einen Materialbahnspannungswert aufweisen.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Mittel aufweisen:

al) eine die Materialbahn führende umlaufende Walze (14), und

a2) einen mit dieser Walze verbundenen Tachometer (24), der das genannte erste Signal erzeugt.

16. Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch g e kennzeichnet, daß die zweiten Mittel einen nahe der Materialbahn angeordneten elektroakustischen Wandler (18) aufweisen.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die dritten Mittel ein nahe der Materialbahn angeordnetes i-iikrophon (22) zur Aufnahme der Materialbahnschwingungen aufxveisen.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Mittel einen Mikroprozessor (14) aufweisen, der einen die zweiten Mittel speisenden Oszillator enthält und mit den genannten dritten Mitteln verbunden ist und das Laufzeitintervall einer Transversalwelle entlang der !•■aterialbahn zwischen den zweiten und dritten Mitteln berechnet.