DE3929469C2 - Gerät zur Messung der Blattdicke - Google Patents

Gerät zur Messung der Blattdicke

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Description

Diese Erfindung betrifft ein Blattdicken-Meßgerät zur Messung der Dicke eines Blattes, z. B. eines Blattes Papier, eines undurchsichtigen Kunst­ stoffilmes, einer Metallfolie oder dgl. mit einem ein Magnetfeld ausnutzen­ den Sensor und einem optischen Sensor.
Wie schematisch in Fig. 5 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, mißt ein bekanntes Blattdicken-Meßgerät dieser Art in der Weise die Dicke eines Blattes 2, daß ein Sensoraufbau 5 mit einem ein Magnetfeld aus­ nutzenden Sensor 3, z. B. einem magnetischen Sensor, einem Wirbelstromsen­ sor oder dgl., und mit einem optischen Sensor 4 das auf eine metallische Grundplatte 1 gelegte Blatt 2 der Länge nach abtastet. Im Grunde wird der Abstand l1 zu der Oberfläche der metallischen Grundplatte 1 von dem ein Ma­ gnetfeld ausnutzenden Sensor 3 und der Abstand l2 zu der äußeren Oberfläche des Blattes 2 von dem optischen Sensor 4 gemessen, und die Dicke t des Blat­ tes 2 wird an dem Punkt durch die folgende Gleichung erhalten:
t = l1 - l2 (1)
Wenn die Dicke des Blattes tatsächlich durch solch ein bekanntes Blatt­ dicken-Meßgerät gemessen wird, kann sie jedoch ohne Schwierigkeiten mit ei­ ner Genauigkeit bis zu annähernd 1/100 mm bestimmt werden; aber es entsteht eine gewisse Mühe, wenn sie mit einer Genauigkeit bis zu annähernd 1/1000 mm gemessen werden soll. Diese Schwierigkeit tritt besonders merkbar auf, wenn sie während einer Bewegung des Sensors bezüglich der metallischen Grundplat­ te gemessen wird.
Wenn beispielsweise vom Sensoraufbau 5 die Oberfläche der metallischen Grundplatte 1, ohne daß das Blatt 2 darauf gelegt ist, abgetastet wird und in diesem Zeitpunkt die Charakteristik des magnetischen Sensors 3 und die Charakteristik des optischen Sensors 4 aufgezeichnet werden, ergeben sich das magnetische Ausgangssignal und das optische Ausgangssignal in den Ab­ tastpositionen, die in Fig. 6 gezeigt sind. Fig. 6(A) stellt ein Beispiel für die Charakteristik des magnetischen Sensors 3 und Fig. 6(B) für die Charakteristik des optischen Sensors 4 dar. Da der magnetische Sensor 3 und der optische Sensor 4 dieselbe Oberfläche ausmessen, müßten die Charakteri­ stik des magnetischen Sensors 3 und die des optischen Sensors 4 in diesem Fall dieselbe Gestalt annehmen; wie jedoch bei einem Vergleich der Fig. 6(A) mit Fig. 6(B) ersichtlich ist, ändert sich die Charakteristik des ma­ gnetischen Sensors 3 in weitem und kompliziertem Maße, wenn sie mit der des optischen Sensors 4 verglichen wird. Aus verschiedenen Experimenten, Litera­ turstellen und Studien können Annahmen über die Ursachen gemacht werden; es wird in Betracht gezogen, daß die örtliche Magnetisierung und die unregelmä­ ßige Qualität der Materialien für die metallische Grundplatte die Ursachen eines Fehlers des magnetischen Sensors zu sein scheinen. Wenn für die metal­ lische Grundplatte ein magnetisches Material verwendet, ein Magnet teilweise angeheftet und die Grundplatte örtlich (um mehrere Gauß) magnetisiert und abgetastet wird, weisen die Signale, die von dem den Magnetismus ausnutzen­ den Sensor abgegeben werden, eine Schwankung von mehreren Zehnern eines Mi­ krons auf. Wenn die Oberfläche der Grundplatte von einem magnetischen Induk­ tions-Meßgerät, einem sog. "Gaußmesser" geprüft wird, tritt eine Position mit einer sehr großen Änderung zutage, selbst wenn das vom Sensor abgegebe­ ne Signal keine Schwankung zeigt (bei einer Auflösung des "Gaußmessers" von 0,1 Gauß). Ein ähnliches Problem tritt selbst dann auf, wenn als metallische Grundplatte ein nichtmagnetisches Material und ein auf Wirbelströme anspre­ chender, magnetischer Sensor benutzt werden. Dieser Fehler des ein Magnet­ feld ausnutzenden Sensors wird somit als Störung für eine Erhöhung der Meß­ genauigkeit des Blattdicken-Meßgerätes dieser Art betrachtet.
JP 61-254812 A1 (Patents Abstracts of Japan P 563, 4. April 1987, Band 11/Nr. 107) be­ schreibt ein Gerät zur Messung der Dicke eines Blattes mit einer metallischen Grundfläche zum Haltern des Blattes, mit einem ein Magnetfeld ausnutzenden Sensor, der oberhalb der metallischen Grundfläche zum berührungslosen Messen eines Abstandes bis zu der metal­ lischen Grundfläche angeordnet ist, mit einem optischen Sensor, der oberhalb der metalli­ schen Grundfläche zur berührungslosen Messung eines Abstandes bis zu einer Oberseite des auf der metallischen Grundfläche gehalterten Blattes angeordnet ist, und mit einer Vorrichtung zur Berechnung der Dicke des Blattes auf Grundlage des Abstandes, der von dem ein Magnetfeld benutzenden Sensor gemessen wird, und des Abstandes, der von dem optischen Sensor gemessen wird.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke einer Beschichtung auf einer metallischen Walze, bei der zwei berührungslos arbeitende Meßeinrichtungen vorgesehen sind, von denen eine auf induktivem Weg die Entfernung zur Walzenoberfläche und die andere auf optischem Weg die Entfernung zur Oberfläche der Beschichtung mißt, ist aus DE 37 01 558 A1 bekannt.
DE 32 21 379 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Dicke von Papierbögen mit einem Wirbelstrommeßverfahren.
Bei einer Vorrichtung zur Messung der Dicke von plattenförmigen Meßobjekten gemäß DE 35 23 414 A1 wird ein Sensorelementenpaar in einem genau einstellbaren Abstand über die Meßflächen geführt und der Anzeigewert aus der Differenz von Meßergebnis und Sen­ sorabstand gebildet bzw. ein Sensorelement über das auf einem Tisch aufliegende Meßob­ jekt in einem einstellbaren Abstand über die Meßfläche geführt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Blattdicken-Meßgerät an­ zugeben, bei dem die oben beschriebenen, bekannten Probleme ausgeschaltet werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Blattdicken-Meßgerät mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.
Fig. 1 zeigt schematisch in einer Vorderansicht den Aufbau eines Blattdicken-Meßgerätes gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 2 zeigt schematisch als Seitenansicht den Aufbau des Blattdicken- Meßgerätes der Fig. 1,
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das schematisch die Form der Steuerung des Blattdicken-Meßgerätes der Fig. 1 und 2 zeigt,
Fig. 4 ist eine Ansicht, um den Datensammelzustand der Sensoren bei einer Speicherabtastung eines Bezugswertes durch die Steuerung der Fig. 3 zu erläutern,
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Prinzips des bekannten Blattdicken-Meßgerätes, und
Fig. 6 ist eine Ansicht, um eine Schwankung der Abstandsmeßwerte eines ein Magnetfeld ausnutzenden Sensors und eines optischen Sensors des Blatt­ dicken-Meßgerätes der Fig. 5 als Beispiele wiederzugeben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine metallische Grundplatte 11 hori­ zontal zwischen beiderseitigen Tragständern 10 gehaltert. Diese metallische Grundplatte 11 kann aus einem magnetischen, metallischen Material oder aus einem nichtmagnetischen, metallischen Material, z. B. Aluminium, Kupfer, rostfreiem Stahl usw. angefertigt sein, was von der Art der gerade angewen­ deten, magnetischen Sensoren (mit einem statischen Magnetfeld arbeitender Sensor, mit Wirbelströmen arbeitender Sensor usw.) abhängt. Oberhalb der me­ tallischen Grundplatte 11 ist zwischen den Tragständern 10 ferner ein lini­ enförmiges Lager 12 in einem Intervall parallel abgestützt. An dem linien­ förmigen Lager 12 ist ein Dickensensor 50 im Gleitsitz getragen, der eine Kombination aus einem ein Magnetfeld ausnutzenden Sensor und einem optischen Sensor ist. Der Dickensensor 50 ist mit einer Kette 15 verbunden, die an Kettenrädern 14 eingreift, die von einem abtastenden Schrittschaltmotor 13 angetrieben werden, um bei der Arbeit des abtastenden Schrittschaltmotors 13 den Dickensensor 50 längs des linienförmigen Lagers 12 zu bewegen. Nahe an dem linken Kettenrad 14 der Fig. 1 ist ein Näherungsschalter 16 zur Wahr­ nehmung der Nullstellung angeordnet.
Bei dem oben erläuterten Blattdicken-Meßgerät dieser Erfindung wird der Verlauf der magnetischen Charakteristik der metallischen Grundplatte 11, die eine Ursache für einen Fehler des den Magnetismus ausnutzenden Sensors ist, wie unten, in dem Zustand ausgelesen, in dem sich kein Blatt auf der metal­ lischen Grundplatte 11 befindet, ehe die Dicke des auf der metallischen Grundplatte 11 befindlichen Blattes gemessen wird.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, weist die Steuerung einen zentralen Prozessor CPU auf, der hauptsächlich aus einem Mikrocomputer zusammengesetzt ist, einen Speicher 17 zur Aufbewahrung verschiedener Meßdaten, einen Ver­ stärker 18 zur Verstärkung eines Abstandsmeßsignals des das Magnetfeld aus­ nutzenden Sensors 51 des Dickensensors 50, einen Verstärker 19 zur Verstär­ kung eines Abstandsmeßsignals des optischen Sensors 52 des Dickensensors 50, Analog/Digitalwandler 20 und 21 zur Umwandlung der analogen Abstandsmeßsi­ gnale, die von den Verstärkern 18 und 19 verstärkt werden, in digitale Da­ ten, eine Motorsteuerschaltung 22 zur Beeinflussung der Arbeitsweise eines abtastenden Schrittschaltmotors 13, eine Ein-/Ausgabeschaltung 23 für den Näherungsschalter 16, der die Nullstellung wahrnimmt, und andere Begren­ zungsschalter 16A (die in den Fig. 1 und 2 nicht gezeigt sind), und eine Ausgabeschaltung 24 auf, die ein Meßergebnis an eine Kathodenstrahlröhre, ein Schreibgerät oder einen Drucker usw. liefert.
Zuerst führt der zentrale Prozessor CPU einen Befehl dem Schrittschalt­ motor 13 zu, damit der Dickensensor 50 an die Nullstellung gebracht wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird der abtastende Schrittschaltmotor 13 in die Lage geschaltet, in der der die Nullstellung wahrnehmende Näherungs­ schalter 16 von dem Dickensensor 50 betätigt wird, um den Dickensensor 50 zu bewegen. Von der Nullstellung aus wird sie dann durch den Dickensensor 50 ab­ getastet. Diese Abtastung bezeichnet man als "Speicherabtastung", um einen Bezugswert abzulesen. Jedesmal wenn der Dickensensor 51 von dem abtastenden Schrittschaltmotor 13 um einen vorgegebenen Abstand weitergeführt wird, wird das Abstandsmeßsignal des das Magnetfeld ausnutzenden Sensors 51 über den Verstärker 18 und den Analog/Digital-Wandler 20 in Form digitaler Daten im Speicher 17 abgelegt, und das Abstandsmeßsignal des optischen Sensors 52 wird über einen Verstärker 19 und den Analog/Digital-Wandler 21 ebenfalls in Form digitaler Daten im Speicher 17 untergebracht. Im einzelnen werden die an den jeweiligen Punkten gemessenen Daten mit Hilfe des Prozessors CPU in dem Speicher 17 als Bilder aufbewahrt, wie in den Fig. 4(A) und 4(B) gezeigt ist, während der Dickensensor 50 die metallische Grundplatte 11 ab­ tastet, auf der kein Blatt aufgelegt ist. Fig. 4(A) gibt eine Schwankung von den gemessenen Daten an den jeweiligen Meßpunkten des das Magnetfeld ausnutzenden Sensors 51 an; Fig. 4(B) zeigt eine Schwankung der gemessenen Daten an den jeweiligen Meßpunkten des optischen Sensors 52. Die Abstands­ meßwerte des das Magnetfeld ausnutzenden Sensors 51 an den jeweiligen Meß­ punkten (der Abstand von der Oberseite der metallischen Grundplatte 11 bis zu dem das Magnetfeld ausnutzenden Sensor 51) sind l1std' und die Abstands­ meßwerte des optischen Sensors 52 (der Abstand zu der Oberseite der metalli­ schen Grundplatte 11) sind l2std.
Beim nächsten Mal wird das Abtasten (was als "Meßabtastung" bezeichnet wird,) in dem Zustand durchgeführt, in dem das auszumessende Blatt auf die metallische Grundplatte 11 gelegt ist. Der Dickenmesser 50 wird wieder von der Nullstellung aus bewegt; jedesmal wenn er bei den jeweiligen Meßpunkten ankommt, errechnet der zentrale Prozessor CPU die Differenz-Änderungen Δ11 und Δ12 zwischen den bei der vorherigen Speicherabtastung eingegebenen Be­ zugswerten l1std und l2std nach den folgenden Gleichungen:

Δ11 = l1std - l1MES (2)
Δ12 = l2std - l2MES (3),
in denen der Abstandsmeßwert des ein Magnetfeld ausnutzenden Sensors 51 (al­ so der Abstand zu der Oberseite der metallischen Grundplatte 11) l1MES und der Abstandsmeßwert des optischen Sensors 52 (also der Abstand zu der Ober­ seite des Blattes) l2MES beträgt.
Aus den Ergebnissen wird die Dicke t des Blattes nach der folgenden Gleichung erhalten:
t = Δ12 - D11 (4).
Folglich kann der nachteilige Einfluß der metallischen Grundplatte 11 auf den das Magnetfeld ausnutzenden Sensor 51 ausgeschaltet werden.
Selbst wenn der Bezugswert l2std des optischen Sensors 52 bei der dem Bezug dienenden "Speicherabtastung" nicht zu den jeweiligen Zeiten gespei­ chert wird, kann er doch theoretisch errechnet werden. In diesem Fall muß der Abstand zwischen dem Dickensensor 50 und der metallischen Grundplatte 11 in jeder Abtastposition gleich gehalten werden. Bei der oben erläuterten Ausführungsform werden die Bezugswerte l1std und l2std in dem Speicher 17 aufbewahrt. Die Dicke t des Blattes kann jedoch durch die folgende Glei­ chung:
tstd = l1std - l2std (5)
aus den Daten l1MES und l2MES im Zeitpunkt der dem Messen dienenden Abta­ stung in der Weise erhalten werden, daß tstd gemäß der folgenden Gleichung errechnet und gespeichert wird:
t = l1MES - l2MES - tstd (6).
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Kapazität des Speichers 17 um die Hälfte oder weniger verringert werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die "Speicherabta­ stung" des Bezugswertes nur als Abtastung in einer einzigen Richtung erläu­ tert. Um die Genauigkeit zu verbessern, kann die "Speicherabtastung" des Bezugswertes jedoch von einem hin- und hergehenden Dickensensor ausgeführt werden. Ferner wird bei der obigen Ausführungsform der Schrittschaltmotor als Abtastkraftquelle für den Dickensensor 50 verwendet; der Antrieb und die Lageeinstellung werden in dem als offene Schleife gebildeten System gelenkt. Diese können jedoch in einem Rückkopplungssystem mit einem Servomotor und einem drehbaren Codierer ausgeführt werden.
Bei der oben erklärten Ausführungsform wird die metallische Grundplatte als Bezugsmeßfläche benutzt. Ein gewisses zu messendes Material hat jedoch eine Abneigung gegen die Berührung mit der Platte. In diesem Fall muß die auszumessende Bezugsfläche eingerollt werden. Sobald die auszumessende Be­ zugsfläche gerollt wird, wird die Änderung der relativen Position zwischen dem Dickensensor und der Rollfläche nicht nur auf die Abtastrichtung, son­ dern auch auf die Komponente in der Drehrichtung der Rolle angewendet. Dem­ entsprechend muß in Spiral- bzw. Schraubenform gespeichert und gemessen wer­ den, um dieselbe Position der Rollenoberfläche abzutasten. Zu diesem Zweck ist es nötig, zusätzlich einen Sensor (drehbaren Codierer) zum Messen des Drehweges der Rolle und einen Sensor zum Messen des Ursprungs- oder Nullstel­ lungssignals der Drehrichtung anzubringen. Wenn die Geschwindigkeit und der Ausgangspunkt der Bewegung des Dickensensors in passender Weise synchron zu dem Drehweg der Rolle in Übereinstimmung mit dem Drehwegsignal und dem Ursprungs- oder Nullstellungssignal eingestellt werden, kann auch dieselbe Rollenoberfläche abgetastet werden.
Darüberhinaus kann der ein Magnetfeld ausnutzende Sensor der oben er­ läuterten Ausführungsform ein mit einem statischen Magnetfeld arbeitender Sensor, ein Wirbelstromsensor usw. sein; an ihrer Stelle kann auch ein mit hochfrequenten Schwingungen arbeitender Sensor benutzt werden.
Gemäß dieser Erfindung kann der Fehler der Abstandsmessung des ein Ma­ gnetfeld ausnutzenden Sensors in dem Blattdicken-Meßgerät zur Messung der Blattdicke auf der Grundlage der Abstandsmeßwerte des ein Magnetfeld ausnut­ zenden Sensors und des optischen Sensors korrigiert werden, wenn der ein Magnetfeld ausnutzende Sensor und der optische Sensor längs des Blattes auf der metallischen Grundplatte zur Abtastung entlanggeführt werden. Daher kann die Meßgenauigkeit der Blattdicke verbessert werden.

Claims (5)

1. Blattdicken-Meßgerät zur Messung der Dicke eines Blattes auf der Grundlage von Abstandsmeßwerten, die von einem ein Magnetfeld benutzenden Sensor (51) und ei­ nem optischen Sensor (52) gemessen werden, wenn diese beiden Sensoren das auf einer metallischen Grundfläche (11) befindliche Blatt in seiner Längsrichtung abtasten,
mit einem Speicher zur Ablage von Korrekturwerten, die auf einer Abstandsmessung beruhen, die längs der metallischen Grundfläche zumindest von dem ein Magnetfeld benutzenden Sensor in einem Zustand aufgenommen ist, in dem kein Blatt aufgelegt ist, und
mit Korrekturmitteln zum Korrigieren zumindest der Abstandsmessung, die von dem ein Magnetfeld benutzenden Sensor (51) in einem Zustand aufgenommen ist, in dem das Blatt auf die metallische Grundfläche (11) aufgelegt ist, mit Korrekturwerten, die in dem Speicher abgelegt sind.
2. Blattdicken-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ein Magnetfeld benutzende Sensor (51) einen mit einem statischen Magnetfeld ar­ beitenden Sensor umfaßt.
3. Blattdicken-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ein Magnetfeld benutzende Sensor (51) einen mit Wirbelströmen arbeitenden Sen­ sor umfaßt.
4. Blattdicken-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ein Magnetfeld benutzende Sensor (51) einen mit hochfrequenten Schwingungen arbeitenden Sensor umfaßt.
5. Blattdicken-Meßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen Speicher zur Ablage von Korrekturwerten, die auf Abstandsmessungen beruhen, die längs der metallischen Grundfläche (11) von dem ein Magnetfeld benutzenden Sen­ sor (51) und dem optischen Sensor (52) in einem Zustand aufgenommen sind, in dem kein Blatt aufgelegt ist, und
durch Korrekturmittel zum Korrigieren der Abstandsmessungen des ein Magnetfeld benutzenden Sensors (51) und des optischen Sensors (52), die in einem Zustand auf­ genommen sind, in dem das Blatt auf die metallische Grundfläche (11) aufgelegt ist.
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