DE3719110C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Spannung einer dünnen Flächenmembran oder einer dünnen Materialbahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Spannung einer dünnen Flächenmembran oder einer dünnen ebenen Materialbahn, insbesondere einer Papierbahn. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In Papier- und Druckmaschinen spielt die Ausrüstung zur Messung der Spannung und Spannungsverteilung in einer Papierbahn eine äußerst wichtige Rolle bei der Arbeitszuverlässigkeit der Maschinen. Papierrisse sind schwierig vorauszusehen und sind der Grund für zusätzliche höhere Kosten, insbesondere seit Bahngeschwindigkeiten in Papierfabriken beträchtlich zunehmen und Geschwindigkeiten von 100 km/h erreichen. Diesbezüglich würde eine Bahnspannungsmessung äußerst notwendig werden, insbesondere wenn die Spannungsverteilung in Querrichtung der Maschine gemessen werden könnte, da praktische Erfahrungen zeigten, daß das Spannungsprofil von sehr hohen Spitzen bis zu völligen Tiefpunkten variiert. Wenn ein Spannungswert als ein elektrischer Impuls verfügbar ist, kann folglich die Maschinenbedienung steuerbar sein, beispielsweise um Papierrisse zu vermeiden. Heutzutage basieren die bevorzugten Verfahren beispielsweise auf der Kontrolle der Rotationsgeschwindigkeitsdifferenzen zwischen den Walzen, aber wegen des auftretenden Schlupfes ist dieses Verfahren mit Kontrolle der Rotationsgeschwindigkeit zur Lieferung eines direkten Informationswertes für die Bahnspannung untauglich.

Zur Zeit ist die Spannungsmessung einer Bahn nach drei verschiedenen Verfahren möglich. Das erste Verfahren basiert auf dem Aufblasen einer Beule in die Bahn mit Druckluft und anschließender Messung der Beulentiefe. Das zweite Verfahren mißt die gegenseitige Zugkraft zwischen den Walzen mittels Kraft-Meßwandlern, die an den Walzenachsen befestigt sind. Das dritte Verfahren nutzt Oberflächenwellen in der Bahn, die durch Mikrophone geortet werden, die nahe der Bahn installiert sind. Dieses Verfahren ist ausführlich in der FI 62 419 beschrieben. Nach diesem Patent werden beispielsweise durch Lautsprecher Membranwellen erzeugt, die sich in Richtung der ausgeübten Spannung sowohl in Papierlaufrichtung als auch in Gegenrichtung fortpflanzen. Die Geschwindigkeit dieser Membranwelle wird zum Bestimmen der Bahnspannung nach einer bekannten physikalischen Formel ausgenutzt, die sich darin ausdrückt, daß die Spannung proportional dem Produkt des Quadrates der Geschwindigkeit der Membranwelle mit dem Flächengewicht der Bahn ist. Die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle kann mit Mikrophonen gemessen werden, die in einer bestimmten Entfernung von der Tonquelle aufgestellt sind, wobei diese die Ausbreitungszeit der Oberflächenwelle ermitteln. Dieses Verfahren verwendet Schwingungen aus einem akustischen Frequenzbereich, wie Impulse mit einer Frequenz von 400 Hz. Ein Verfahren, das auf der Verwendung von Membranwellen basiert, ist auch in der US 3 854 329 beschrieben. Im Unterschied zu dem finnischen Verfahren beschreibt diese Druckschrift ein Verfahren, das auf der Anwendung von Ultraschallschwingungen beruht.

Das erste Verfahren mit Druckluftblasen hat ergeben, daß dieses eher ungenau ist und weil nach diesem Verfahren eine Düse verwendet wird, die sehr dicht an der Papierbahn angeordnet ist, ist die Gefahr des Zerreißens sehr groß.

Das zweite Verfahren beruht auf der Messung der gegenseitigen Zugkraft zwischen den Wellen und wird relativ oft angewendet. Es ist aber nachteilig, beispielsweise durch das langsame Ansprechen, weil die Walzenmassen einige hundert Kilogramm betragen. Tatsächlich wird bei diesem Verfahren der integrierte Spannungsgegenwert über die gesamte Breite der Bahn gemessen, wodurch beispielsweise das Spannungsquerprofil unbestimmt bleibt. Des weiteren sind die Spannungsspitzen, die die Bahn zerreißen, nicht nachweisbar.

Bei dem dritten Verfahren gemäß dem finnischen Patent müssen der Tonfrequenzimpuls und auch die Mikrophone auf den gleichen Frequenzbereich abgestimmt sein, was beträchtliche Signal-Rauschabstandsprobleme verursacht, weil die Umgebung der Papiermaschine in diesem Frequenzbereich von hohem Lärm erfüllt ist, aufgrund dessen die Mikrophone überlastet werden. Zusätzlich zum Stoßimpuls erfassen die Mikrophone auch den Lautsprecherimpuls direkt durch die Luft, was schwere Störungen bei der Messung verursacht. Andererseits zeigten die praktischen Versuche nach dem Verfahren gemäß der US 3 854 329, daß die Membranwellen nicht geeignet sind, sich im Ultraschallfrequenzbereich auszubreiten, was die Funktion der Vorrichtung nach der US 3 854 329 unmöglich macht.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein völlig neues Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktlosen Spannungsmessung einer Papierbahn zu erreichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 2.

Die Erfindung basiert auf einer Membranwelle, die mit einer geeigneten Frequenz auf der Papierbahn mit einem Lautsprecher oder einem ähnlichen Element erzeugt wird, während die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit mit optischen Sensoren ermittelt wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung schalten alle Umgebungslärmstörungen und den direkten Schall vom Lautsprecher aus. Das optische Ermittlungsverfahren verbessert folglich beträchtlich das Signal-zu-Geräusch-Verhältnis und macht die Anwendung der Vorrichtung schon deshalb unter solchen Umständen möglich, bei denen das Verfahren nach dem Stand der Technik völlig nutzlos sein würde.

Die Erfindung wird genauer anhand des folgenden Ausführungsbeispiels und mit bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer teilweise schematischen Seitenansicht eine Bahnspannungsmeßvorrichtung,

Fig. 2 stellt einen Teil der Meßvorrichtung nach Fig. 1 dar,

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine andere Ausführung der Meßvorrichtung,

Fig. 4 zeigt eine Teildarstellung in perspektivischer Ansicht einer dritten Ausführung der Meßvorrichtung,

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Ausführung der Meßvorrichtung, in der die Membranwelle mit Hilfe einer Interferenz erzeugenden Glasplatte sichtbar gemacht wird, und

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 5.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 drei Ausführungsbeispiele einer Bahnspannungsmeßvorrichtung beschrieben, die aber nicht die Erfindung betreffen. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bahnspannungsmeßvorrichtung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Bahnspannungsmeßvorrichtung. Mit Hilfe eines Helium-Neon-Lasers 5 und halbdurchlässiger Spiegel werden vibrierende Lichtpunkte 4, die auf der Papierbahn 1 abgebildet werden, durch Ausrichten des Laserstrahls mit den Spiegeln 6 lotrecht zur Oberfläche der Papierbahn 1 aufgebracht. Ein Lautsprecher 3 wird zum Erzeugen eines Tonstoßes benutzt, der auf der Papierbahn 1 eine Membranwelle 2 verursacht, die sich mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die von der Quadratwurzel der Bahnspannung abhängig ist. Die Membranwelle 2 breitet sich vom Lautsprecher 3 zu beiden Seiten der Tonquelle 3 aus. Die Anordnung der vibrierenden Lichtpunkte 4 auf der Bahn wird durch einen positionserfassenden Sensor 8 ermittelt, dessen optische Achse mit einem Strahl 10, der auf die Bahn fokussiert ist, einen Winkel bildet, wobei der Lichtpunkt 4 auf den Sensor 8 mittels eines geeigneten optischen Systems 7 fokussiert wird.

Fig. 2 zeigt detailliert die Abbildung der Lichtpunkte p und p' in Abbildungspunkte P und P' auf eine Abbildungsfläche 11. Wenn die Bahn 1 durch die Schwingung vom Gleichgewichtszustand p zu einem neuen Zustand p' verschoben wird, wird der Abbildungspunkt P gleichzeitig auf die Abbildungsfläche 11 zum Zustand P' verschoben. Der lagesensitive Sensor 8 ortet die Abbildung der Lichtpunkte 4, bezogen auf die Oberflächenwelle als einen periodischen Impuls, dessen Frequenz die gleiche ist, wie die Frequenz der Oberflächenwelle 2. Der verschobene Abbildungspunkt ist in der Figur als strichlierte Linie dargestellt.

Der Ausgangsimpuls des lagesensitiven Sensors 8 wird zu einer elektronischen Anlage 9 geleitet, wo der empfangene Impuls zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle 2 verwendet wird, von welcher die Spannung der Bahn 1 errechnet werden kann.

In der einfachsten Ausführungsform kann die Geschwindigkeit der Welle 2 mit Hilfe eines Sensors 8 bestimmt werden. Dies erfordert eine Information über die Bahngeschwindigkeit. Die Wellengeschwindigkeit kann aus dem Entfernungsverhältnis zwischen Tonquelle 3 und dem Sensor 8 zur Ausbreitungszeit der Welle 2 über diese Entfernung gemessen werden.

Fig. 1 zeigt die Spiegelanordnung, die eine Anzahl von vier Lichtpunkten 4 auf der Bahn 1 vorsieht. Bei Verwendung einer zweiten Sensoreinrichtung mit zwei Sensoren 8 in Verbindung mit dem dem Laser 5 am nächsten liegenden Lichtpunkten 4 werden zusätzliche Vorteile gewonnen. Nun kann die Ausbreitung der Oberflächenwelle 2 in entgegengesetzten Richtungen ermittelt werden. Durch Messung der Geschwindigkeiten beider Wellen 2 in der vorerwähnten Weise und der Bildung des arithmetischen Mittels dieser Geschwindigkeiten kann der Einfluß der Geschwindigkeit der Bahn 1 in den Messungen eliminiert werden.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, in der der Lichtstrahl schräg von der Lichtquelle 5 zur Papierbahn 1 gerichtet ist, wobei auch die optische Achse des lagesensitiven Sensors 8 schräg zur Papierbahn 1 ausgerichtet ist. In der Praxis kann der Winkel der optischen Achse sowohl des Lichtstrahls 5 als auch des Sensors 8 zur Papierbahn 1 über einen größeren Bereich je nach Gegebenheiten ausgewählt werden.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, bei der drei Lichtpunkte 4 auf der Bahn 1 gebildet werden, so daß der Laser 5 zuerst einen Lichtstrahl erzeugt, der über ein erstes Prisma 12 und ein zweites Prisma 13 zu den drei halbdurchlässigen Spiegeln 6 gerichtet ist. Die Spiegel 6 richten den Lichtstrahl 10 in einem schrägen Winkel zur Oberfläche der Papierbahn 1 aus. Der Lautsprecher 3 erzeugt eine Membranwelle 2 auf der Papierbahn 1. Die Welle 2 veranlaßt eine vertikale Auslenkung der Bahn 1, die wiederum eine horizontale Verschiebung des Lichtpunktes 4 verursacht. Die Auslenkung wird mit einem lagesensitiven Sensor ermittelt, der auch die nötigen Optiken zur Fokussierung des Lichtpunktes 4 auf den Ortungssensor einschließt. Dort sind drei Sensoren, deren jeweilige optische Achsen 1 lotrecht auf die Papierbahn 1 gerichtet sind. Die Sensoren 8 werden derart angeordnet, daß sie auf der gleichen Linie in bezug auf die Maschinenrichtung der Papierbahn 1 liegen, von denen ein Sensor 8a in der Annäherungsrichtung der Bahn 1 auf den Lautsprecher 3 und die zwei anderen Sensoren 8b, 8c in der Entfernungsrichtung der Bahn in bezug auf den Lautsprecher 3 angeordnet sind. Mit Hilfe der Sensoren 8a und 8b wird diese Anordnung in die Lage versetzt, die Wirkung der Bahngeschwindigkeit auf das Meßergebnis in der oben beschriebenen Weise zu eliminieren. Der Sensor 8c arbeitet in Verbindung mit Sensor 8b, so daß ein Korrelationsverfahren, wie es aus der Mathematik bekannt ist, zur Ermittlung der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle verwendet werden kann. Bei diesem Verfahren erzeugt die Oberflächenwelle 2, die sich in Bahnbewegungsrichtung vom Lautsprecher 3 aus ausbreitet, ein Signal im Sensor 8b. Nach einiger Zeit empfängt der Sensor 8c das gleiche (oder fast das gleiche) Signal. Beide Signale werden in einem Speicher, beispielsweise einem Festkörperspeicher, gespeichert. Wie oben beschrieben, zeichnen die Speichereinheiten zwei Zeitzustandsfunktionen auf, die sich in ihrer Form fast ähnlich sind. Eine Querkorrelationsfunktion wird dann aus den Funktionen gebildet, beispielsweise durch Verwendung eines Computers. Das Verhältnis der Entfernung zwischen den Sensoren 8b und 8c zur Zeitverschiebung T, enthalten aus der Korrelationsfunktion, ergibt die Wellengeschwindigkeit (nicht bahngeschwindigkeitskorrigierte) der Oberflächenwelle 2. Das beschriebene Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Wellenform der Membranwelle gestört wird; in diesem Fall ist eine einfachere Methode unwirksam.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen die erfindungsgemäße Ausführung, in der das Licht, das durch einen Laser 5 erzeugt wird, durch einen Strahlspreizer 14 und durch einen Kondensor 15 in eine kohärente Flächenwelle 16 überführt wird. Die Flächenwelle 16 fällt auf eine keilförmige polierte Glasplatte 17, auf der die Flächenwelle, wenn sie von jeder Oberfläche der Glasplatte 17 reflektiert wird, zu einem kammähnlichen Interferenzmuster 19 umgeformt wird, das schräg auf die Papierbahn 1 geworfen wird. Die Oberflächenunterschiede erscheinen als Minima und Maxima des projizierten Interferenzmusters, die beispielsweise mit einer Reihenkamera 18 aufgenommen werden können.

Der Helium-Neon-Laser als die Lichtquelle in den Ausführungsformen der Fig. 1-3 kann beispielsweise durch eine leistungsstarke LED-Lampe (Festkörperstrahler oder eine ähnliche Lichtquelle), die von geringer Größe ist und deren Licht in einem genügend kleinen Punkt auf der Papierbahn 1 fokussiert werden kann, ersetzt werden. Diese Methode der Erzeugung eines kleinen Lichtpunktes ist jedoch unwesentlich für die vorliegende Erfindung. Des weiteren sind die lagesensitiven Sensoren handelsüblich verfügbar und deren Eigenschaften werden hier nicht weiter im Detail beschrieben. Die verwendete Tonquelle kann beispielsweise ein Lautsprecher, eine Druckluftpfeife oder ähnliches sein. Diese Alternativen sind übliche Lösungen, weil die verwendeten Frequenzen bei 100 bis 500 Hz liegen.

Zusätzlich zur Papierbahnspannung kann die vorliegende Erfindung zur Spannungsmessung bei anderem dünnen Folienmaterial verwendet werden. Die Meßeinrichtung ist speziell zur Spannungsmessung bei sehr dünnem Kunststoffilm oder Metallfolien anwendbar.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist der, daß entsprechend der verwendeten physikalischen Formel der Elastizitätsmodul (Young-Modul) des Materials keinen Einfluß auf die Messung hat, sondern die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle ist vielmehr nur abhängig vom Folienflächengewicht der Bahn und der Bahnspannung.

Zusätzlich zur Verwendung in Papiermaschinen kann die Meßeinrichtung in Rollenschneidern, Leimpressen und Druckmaschinen angewendet werden. Weiterhin kann die Erfindung in Maschinen Verwendung finden, die für die Herstellung von Magnetbändern auf Kunststoffbasis oder für sehr dünne Metallfolien vorgesehen sind.

Claims (2)

1. Verfahren zum Messen der Spannung einer dünnen Flächenmembran oder einer dünnen ebenen Materialbahn, bei dem

• 1. eine stoßartige Membranwelle durch einen Wandler, vorzugsweise einen Lautsprecher, erzeugt wird,
• 2. die Geschwindigkeit der Membranwelle gemessen wird, wobei
• 3. ein von einer Laserlichtquelle ausgesendeter Lichtstrahl durch einen Strahlspreizer und einen Kondensor in eine kohärente Flächenwelle überführt wird,
• 4. die Flächenwelle auf eine interferenzerzeugende abgeschrägte Glasplatte projiziert wird,
• 5. das der Interferenz unterworfene Licht auf die zu prüfende Materialbahn gerichtet wird,
• 6. eine Reihenkamera aus der Lage des Interferenzmusters auf der Materialbahn ein elektrisches Signal erzeugt, das der Geschwindigkeit der Membranwelle entspricht,
• 7. der Geschwindigkeitswert der Membranwelle quadriert und mit dem Flächengewicht der Membran multipliziert wird, um die Spannung der Membran zu ermitteln.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit
einem Wandler (3), vorzugsweise einem Lautsprecher, zur Erzeugung einer stoßartigen Membranwelle (2),
einer Laserlichtquelle (5) zum Aussenden eines Lichtstrahls,
einem Strahlspreizer (14) und einem Kondensor (15), der den von der Laserlichtquelle (5) ausgesandten Lichtstrahl in eine kohärente Flächenwelle (16) überführt,
einer interferenzerzeugenden abgeschrägten Glasplatte (17) zum Richten des der Interferenz unterworfenen Lichts auf die zu prüfende Materialbahn (1) und
einer Reihenkamera (18) zur Erzeugung eines der Geschwindigkeit der Membranwelle (2) entsprechenden elektrischen Signals aus der Lage des Interferenzmusters (19) auf der Materialbahn (1).