DE4221031A1 - Einrichtung zur berührungsfreien Dickenmessung von dünnen Substraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dickenmessung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Aufgabe ist es, eine Einrichtung anzugeben, die eine absolut berührungsfreie und sehr genaue Messung von sehr dünnen Bahnen ermöglicht, wo z. B. eine Genauigkeit von 1 oder 2 µ erreichbar sein soll. Die Einrichtung läßt sich vor allen Dingen bei Papier- oder Kartonbahnen in Papierfabriken einsetzen, wobei die Dicke der Bahn z. B. 0,05 mm betragen kann. Die Bahnen laufen z. B. bei einem Aufwickelvorgang einer Papierbahn mit sehr hohen Geschwindigkeiten von z. B. 2000 m/min, so daß eine Dickenmessung sehr schwierig ist. Grundsätzlich wird die Dickenmessung im Bereich eines Führungselements für die Bahn vorgenommen, wobei es allgemein so ist, daß die Bahn ohnehin über verschiedene Walzen geführt wird, so daß hier eine solcher Walzen für den Meßvorgang benutzt wird. Die Meßeinrichtung ist dermaßen aufgebaut, daß Ungenauigkeiten, bzw. Veränderungen der Gesamtanordnung einschließlich der Führung der Papierbahn durch die Walze während des Meßvorganges bzw. welche im Laufe der Zeit auftreten, berücksichtigt werden können. Änderungen können auftreten z. B. durch die Durchbiegung der Walze, durch auf die Walze einwirkende Temperaturänderungen oder z. B. auch einen Rundschlag der Walze selbst.

Ferner ist es möglich, durch eine definierte Veränderung eines Referenz-Signales, und zwar durch Verstellung der Verstelleinheit, laufend sporadisch die Meßeinrichtung neu einzustellen bzw. zu überprüfen.

Die Meßeinrichtung wird dabei vorzugsweise an einer Traverse gehalten, so daß sie längs der Breite des Substrats (Papierbahn) verschoben werden kann, um somit an verschiedenen Stellen die Dicke des Papiers (bzw. allgemein der Bahn) zu messen. Die Meßeinrichtung ist so aufgebaut, daß das Führungselement (Führungswalze) an ihrer Oberfläche, mit der sie die Bahn führt, eine Referenzebene bildet. Zur Bildung des Referenzsignals darf diese Oberfläche nicht hochglänzend, also poliert sein, sondern höchstens fein geschliffen. Die gesamte Anordnung arbeitet ja nicht aufgrund eines reflektierten Lichtsignals nach der Bedingung, daß Einfallswinkel des Lichts gleich Ausfallswinkel ist, sondern es wird nur von der Oberfläche des Substrates und der Führungswalze remittiertes, also diffus abgestrahltes Licht registriert. Das Papier hat ja wegen seiner rauhen Oberfläche keine derartige Reflexion von Licht, daß sich ein genauer Reflexionsstrahl feststellen läßt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand den Figuren der Zeichnung erläutert, wobei

Fig. 1 prinzipmäßig eine Ansicht quer zur Warenbahn,

Fig. 2 die Verhältnisse der Signalerzeugung und -verarbeitung in einer ersten Variante und

Fig. 3 das gleiche in einer zweiten Variante zeigen.

In Fig. 1 ist ein Schutzgehäuse 4, das die Einrichtung zur Dickenmessung aufweist, einer Papierbahn P zugeordnet, die auf einer Führungswalze 10 geführt ist. Die Umfangsfläche der Führungswalze dient dabei als Referenzebene 5. Zu dem Zweck weist die Einrichtung eine berührungsfreie Abstands-Meßeinrichtung 12 auf, die mit den übrigen Elementen der Meßeinrichtung 23 spielfrei verschieblich an einer Verstelleinheit 3 gehalten ist. Für eine solche völlig spielfreie Verstelleinheit kommen magneto-striktive oder piezo-elektrische Elemente in Frage. Stäbe aus ferro-magnetischem Material erfahren eine Längenänderung unter dem Einfluß von magnetischen Feldern, was Magneto-striktion genannt wird. Da in diesem Falle nur sehr geringe Schwankungen der Referenzoberfläche 5 der Führungswalze 10 auftreten können, genügen eventuell schon sehr geringe Längenänderungen eines ferro-magnetischen Stabes als Halter für die Meßeinrichtung. Als spielfreies Verstellelement kommen auch piezo-elektrische Elemente (Quarze) in Frage. Man nennt solche Stellglieder kurz auch Piezo-Translatoren. Sie nutzen den an sich inversen piezo-elektrischen Effekt aus, so daß sich diese Elemente bei Anlegung einer Spannung an die beiden in Polarisationsrichtung einander gegenüberliegenden Endflächen des Kristalls sich entsprechend der Spannung in ihrer Länge ändern. Um größere Längenänderungen des piezo-elektrischen Materials (Kristalls) zu erhalten, werden mehrere solcher Kristallscheiben hintereinander geschaltet, wobei sie im allgemeinen durch Klebung miteinander verbunden sind. Solche Translatoren halten Kräfte bis etwa 1000 N unter Feldstärken von etwa 1500 V/mm aus. Ein Hersteller solcher Translatoren ist die Firma PI Physikinstrumente GmbH, Siemensstraße, 7517 Waldbronn, Bundesrepublik Deutschland. Ausführungen über diese Piezo-Translatoren finden sich in einem Sonderdruck dieser Firma mit dem Titel "Piezo-Translatoren - vielseitige Mikrostellglieder".

Das Signal des berührungsfreien Abstandssensors 12 mit z. B. den Spulen 13, das vorzugsweise ein elektrisches Signal ist, dient dann zur Justierung der Meßeinrichtung über die spielfreie Verstelleinheit 3. Ein Vorteil der piezo-elektrischen Verstelleinheit würde darin liegen, daß bei Ausfall der Steuerspannung sie über eine längere Zeit die vor dem Ausfall vorhandene Steuerspannung beibehält, so daß die Einrichtung eine erhebliche Zeit trotz Ausfall der Steuerspannung noch weiter betrieben werden könnte.

In Fig. 2 ist die Erzeugung und der Gang des Lichtsignals in einer ersten Variante der Meßeinrichtung 23 prinzipmäßig erläutert. Dabei ist für die Meßeinrichtung zunächst eine Lichtquelle 1 vorgesehen, deren Lichtstrahl, vorzugsweise ein Laserstrahl, durch eine Sendeoptik 2 zu einem feinen Lichtpunkt gebündelt wird, der auf die Bahn 4 trifft. Die Empfangsoptik 6 entdeckt diesen Lichtpunkt von z. B. 1/10 mm Durchmesser und wirft von diesem Lichtpunkt ein Bild auf einen optischen Empfänger 7, der linear eingestellt ist. Dieser Empfänger kann z. B. eine CCD-Zeilenanordnung sein. Dessen lichtempfindliche Elemente sind lichtempfindliche Kondensatoren von z. B. nur 30 µ Abmessung. Es gibt auch andere, lineare optische Empfänger, die nicht punktweise, sondern völlig kontinuierlich arbeiten und ein Signal entsprechend einem Schiebewiderstand abgeben. Es ist dazu nötig, daß die Empfangsoptik 6 die Winkeldifferenzen des Meßstrahles 9 nach ihrem Durchgang durch dieselbe weit auffächert, z. B. eine Vergrößerung einer theoretischen Signaldifferenz von 20 µ einer entsprechend schwankenden Papierdicke auf eine Differenz von 4 bis 6 mm auf dem optischen Empfänger 7 bewirkt. Das Ausgangssignal desselben wird dann in einer Signalverarbeitungseinheit 8 registriert und aufbereitet. Das Referenzsignal wird dabei von der Oberfläche 5 der Führungswalze 10 geliefert. Dies kann z. B. bei einem Abriß der Papierbahn immer neu erfolgen. Dieses Referenzsignal ist auf dem optischen Empfänger 7 an der Stelle ("O") angegeben. Eine Justierung ist jeweils möglich durch eine bewußte Verstellung der spielfreien Stelleinheit 3. Der Winkel zwischen dem Meßstrahl 9 und der Oberfläche des Substrats P beträgt vorzugsweise zwischen 30 und 40°.

Der Abstand zumindest der Sendeoptik 2 von der Referenzfläche 5 beträgt etwa 0,2-0,3 mm.

In Fig. 3 ist praktisch die gleiche Anordnung, nur in anderer geometrischer Konfiguration dargestellt.

In beiden Figuren sind natürlich die Differenzen der Papierdicken äußerst übertrieben dargestellt. Wird die Anordnung insgesamt sehr leicht gebaut, zumindest was die dargestellten optischen Elemente und Sensoren anbelangt, kann unter Umständen auch ein Rundlauffehler der Führungswalze fortlaufend von der spielfreien Verstelleinheit 3 ausgeglichen werden, so daß auch in diesem Fall eine sehr genaue Messung durchführbar ist.

Der Abstandssensor 12 kann vorzugsweise auf Wirbelstrombasis arbeiten, wie die NCDT-Typen S1 bis S4 der Firma Mikro-Epsilon Meßtechnik GmbH & Co. KG, Königsbacher Str. 15, W-8359 Ortenburg-Dorfbach, Bundesrepublik Deutschland.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Dickenmessung von relativ dünnen, fortbewegten Substraten (Bahnen), insbesondere Bahnen aus Papier oder Karton, gekennzeichnet durch

• a) eine Lichtemissions-Abordnung (1) mit möglichst eng begrenztem Sendelichtfleck (punktförmiger Laserstrahl) verbunden mit einer den Strahl bildenden Optik (2),
• b) sowie eine im Winkel zur optischen Achse der Sendeoptik (2) angeordnete Empfangsoptik (6) und
• c) eine dahinter befindliche lichtempfindliche Registrier-Anordnung (7) (Lichtsignal-Aufnehmer-Anordnung), die mit einer Auswerteeinheit (8) für die Signalverarbeitung verbunden ist sowie
• d) ein Führungselement (5) mit einer Führungsfläche (10) für das Substrat (die Bahn).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine berührungsfreie Abstands-Meßeinrichtung (12) für die vorgenannten Einrichtungselemente, und daß letztere einschließlich der vorgenannten Meßeinrichtungs-Elemente (1, 2, 3, 6) fest mit einer spielfreien Verstelleinheit (3) verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Meßspule oder Meßspulen (13) mit je einem oder mehreren Eisenkernen, die magnetisch eng mit dem Führungselement (5) für das Substrat (z. B. über einen engen Luftspalt) gekoppelt sind, wobei das Führungselement aus ferromagnetischem Material besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule Teil eines Schwingkreises ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (13) Bestandteil eines induktiven Aufnehmers ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spielfreie Verstelleinheit (3) als Verstellorgan einen Piezotranslator oder einen magneto-striktiven Translator aufweist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Registrier-Anordnung ein im wesentlichen linearer Empfänger ist, dessen Empfangssensoren in einer sich quer zur Bahn (Substrat) erstreckenden Reihe oder überhaupt quer zur Bahn angeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (5) für das Substrat (Bahn) eine Walze (10) aus Metall ist.