DE4446367A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Bestimmung der Dicke und/oder des Flächengewichts von bewegtem Meßgut - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder des Flä­ chengewichts von einem in einer definierten Richtung transportierten Meßgut, wie Banknoten, Papier oder ähn­ lichen, mittels Ultraschall und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der obengenannten Art ist z. B. aus der EP-B1 0 167 010 bekannt. Ein Schallsender strahlt auf das bewegte Meßgut Ultraschallwellen ab, wobei der von dem Meßgut kommende Schallanteil in Form einer Refle­ xions-oder Transmissionsmessung von einem Empfänger er­ faßt wird. Die erfaßte Schallintensität wird als Maß für die Bestimmung der Dicke und/oder des Flächengewichts ausgewertet. Aufgrund von Beugungseffekten lassen sich mit dem bekannten Verfahren auf dem Meßgut nur Struktu­ ren mit einer Ausdehnung oberhalb einer Wellenlänge erkennen.

Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Ultraschallsen­ soren auf der Basis piezoelektrischer Polymerfolien, z. B. für Identifikations- oder Ortungsaufgaben bekannt. Stellvertretend hierfür sei auf die Artikel von W. Mant­ hey und N. Kroemer "Technisches Messen" tm 56 (1989) 10, R. Oldenbourg-Verlag und W. Manthey, Valentin Magori "Sensor 93, Kongreßband 11" hingewiesen. Diese Artikel beschreiben Ultraschallwandler-"Arrays", die mehrere Sender in Form von zylindrisch gewölbten Piezopolymerfolien enthalten, die in einer Ebene angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke und/oder des Flächengewichts von Meßgut vorzuschlagen, das mit geringem technischen Aufwand eine hohe räumliche Auflö­ sung in der Meßebene und eine gute Signalausbeute ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in dem kenn­ zeichnenden Teil der nebengeordneten Ansprüche angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Meßgut mit einem fokussierten Ultraschallfeld hoher Schallin­ tensität zu beschallen und den vom Meßgut kommenden Schallanteil unmittelbar im Nahfeld, d. h. in einem Ab­ stand der kleiner oder gleich der verwendeten Schallwellenlänge ist, zu erfassen und zur Bestimmung der Dicke und/oder des Flächengewichts auszuwerten. Die Fokussierung des Schallfeldes wird dadurch erhalten, daß mehreren Senderelemente räumlich derart angeordnet sind, daß sie in bezug auf den Meßort alle denselben Abstand aufweisen und die Senderelemente phasengleich Schallwel­ len abstrahlen, deren Amplituden sich am Meßort überla­ gern. Dadurch wird der Schall am Meßort konzentriert.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die räumliche Anordnung der Senderelemente die Fokussierung mit gerin­ gem technischen Aufwand erreicht wird. Weiterhin erhöht sich durch die Fokussierung bei konstantem Hintergrund­ rauschen das Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber nichtfo­ kussierenden Verfahren. Gleichzeitig reduziert sich der Schallanteil, der nicht zur Messung beiträgt und auf unkontrollierten Wegen zum Empfänger gelangen kann.

Vorzugsweise erfolgt die Nahfeldmessung mit Dauerschall und in Transmission, d. h. daß nur der durch das Meßgut hindurchtretende Schallanteil erfaßt und der Auswertung zugrundegelegt wird. Die Anwendung von Dauerschall er­ möglicht eine kontinuierliche Abtastung in Bewegungs­ richtung des Meßgutes. Vorzugsweise wird das Meßgut über die gesamte Breite mit einem fokussierten linienförmigen Schallfeld beaufschlagt, wodurch das in Längsrichtung bewegte Meßgut dann auch senkrecht zur Bewegungsrichtung des Meßguts und somit vollständig abgetastet werden kann. Dies ermöglicht z. B. die Feststellung von Klebe­ streifen auf Banknoten oder auch fehlender Teile an Banknoten oder auch die Erkennung von sogenannten Dop­ pel- und Mehrfachabzügen, was für die Zählung bei Bank­ notensortierautomaten wichtig ist.

Die Senderelemente sind vorzugsweise auf einem Träger angeordnet, der in der Form einem Segment eines Zylin­ dermantels entspricht und werden im wesentlichen von halbzylindrisch gewölbten Piezopolymerfolien gebildet. Um eine hohe räumliche Auflösung und eine gute Signal­ ausbeute zu ermöglichen, müssen die Abmessungen der schallempfindlichen Empfängerfläche kleiner als eine Wellenlänge sein. Der erfindungsgemäße Empfänger, der für die Schallzuführung ein Röhrchen vorsieht, welches den vom Meßgut kommenden Schallanteil einfängt und nach Art eines Stethoskops einem Mikrophon zuleitet, erlaubt, daß Resonanzen zwischen dem Meßgut einerseits und dem Empfänger und seiner Halterung andererseits vermieden werden.

Das Röhrchen kann außen mit einem gut schallabsorbieren­ den Material und innen ganz oder teilweise mit einem mäßig schallabsorbierenden Material gefüllt werden. Durch letzteres werden Resonanzen im Röhrchen vermieden und außerdem kann durch den innen im Röhrchen befindli­ chen Schaumstoff das Mikrophon vor Verschmutzungen ge­ schützt werden. Durch die Verwendung des Röhrchens kann somit die Empfängerseite einschließlich der schallemp­ findlichen Fläche fast vollständig mit Schaumstoff aus­ gekleidet werden. Der Durchmesser des Röhrchens ist ent­ sprechend an die aktive Fläche des Empfängers angepaßte. Vorzugsweise wird ein Piezofolienmikrophon verwendet, das sich akustisch an das Röhrchen gut ankoppeln läßt und dessen aktive Fläche mit einer Ausdehnung von weni­ ger als einer Wellenlänge realisiert werden kann.

Weitere Vorteile sowie Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfol­ genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung anhand der beigefügten Figuren.

Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung zur Dicken- und/oder Flächengewichtsbe­ stimmung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Senderanordnung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Empfängers,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung mit einer Empfängeranordnung mit mehreren Empfängern.

Fig. 1 zeigt beispielhaft in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Meßgut 1, z. B. eine Banknote, wird von einer in Form der Transportrollen angedeuteten Trans­ porteinrichtung 5 zwischen einer Senderanordnung 10 und einem Empfänger 20 hindurchbewegt. Die Senderanordnung umfaßt wenigstens zwei Senderelemente 11, die relativ zu der Transporteinrichtung 5 derart angeordnet sind, daß die von den Senderelementen 11 in Richtung der Pfeile 2 abgestrahlten Ultraschallwellen unter dem gleichen Schallweg 2, d. h. im gleichen Abstand, z. B. 20 mm, bezogen auf den Meßort 3 auftreffen. Am Meßort 3, addie­ ren sich die von den Sendern abgestrahlten Schalldruc­ kamplituden zu einem fokussierten Schallfeld hoher In­ tensität. Die Senderelemente 11 weisen alle die gleiche Abstrahlcharakteristik auf und werden zeitgleich betrie­ ben, wodurch eine gleichphasige Abstrahlung von Schall­ wellen mit konstanter Amplitude gewährleistet ist.

Zur Bestimmung der Dicke und/oder des Flächengewichts wird der durch das Meßgut transmittierte Schallanteil von der Empfängeranordnung in einem Abstand 4, der klei­ ner oder gleich der verwendeten Schallwellenlänge ist, erfaßt und von einer nicht dargestellten Einrichtung ausgewertet. Um eine hohe räumliche Auflösung und eine gute Signalausbeute zu erzielen, müssen die Abmessungen der schallempfindlichen Empfängerfläche kleiner als die verwendete Wellenlänge sein. Um Resonanzen zwischen dem Meßobjekt einerseits und dem Empfänger und seiner Halte­ rung andererseits zu vermeiden, kann der Empfänger in einen schallabsorbierenden Schaumstoff, wie nachfolgend noch beschrieben wird, eingebettet werden. Bei einer entsprechenden Einbettung von Sender und Empfänger kann die Erfindung auch dann prinzipiell für eine Reflexions­ messung verwendet werden, wie dies beispielsweise in der eingangs genannten EP-B1 0167 010 beschrieben ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Senderanord­ nung für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1. Die Senderanord­ nung 20 umfaßt eine Vielzahl von Senderelemente 11, die im wesentlichen halbzylindrisch gewölbte Piezopolymerfo­ lien enthalten, die auf der konkaven Seite eines Trägers 12 nebeneinander angeordnet sind. Die Piezopolymerfolien weisen alle die gleiche Geometrie und die gleichen Mate­ rialeigenschaften auf, wodurch für alle Senderelemente die gleiche Abstrahlcharakteristik erhalten wird. Zur Befestigung der Piezopolymerfolien kann der Träger 12 mit Rillen versehen werden, in denen die Piezopolymerfo­ lien eingespannt sind. Der Träger entspricht in der Form z. B. einem Segment eines Zylindermantels. Durch die auf der Zylindermantelfläche des Trägers 12 angeordneten Piezopolymerfolien werden die abgestrahlten Ultraschall­ wellen in Richtung der Zylinderachse über die gesamte hänge der Folien fokussiert, wodurch ein linienförmiges Schallfeld hoher Schallintensität entsteht. Die Geome­ trie der Senderanordnung, d. h. die Länge der halbzylin­ drischen Piezopolymerfolien, kann so gewählt werden, daß diese z. B. der maximalen Breite einer Banknote ent­ spricht. Die Senderanordnung kann z. B. mit einer Fre­ quenz von ungefähr 100 kHz betrieben werden. Die prinzi­ piellen Anforderungen und Gesetzmäßigkeiten für den Auf­ bau von Senderelementen mit Piezopolymerfolien sind in den eingangs genannten Artikeln "Ultraschallsensoren auf der Basis piezoelektrischer Polymere" von W. Manthey und N. Kroemer, erschienen im Technischen Messen, tm 56 (1989) 10, R. Oldenbourg-Verlag und "Ultraschallwandler-Arrays für Anwendungen in Luft" von W. Manthey und Valentin Mägori, verlegt im SENSOR 93 Kongreßband 11 ge­ nannt, und werden hier nicht näher beschrieben.

Fig. 3 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines Ultraschallempfängers der vorzugs­ weise mit der in Fig. 2 dargestellten Senderanordnung verwendet wird. Der Empfänger 20 umfaßt wenigstens ein Mikrophon 21 z. B. in Form einer Piezopolymerfolie, die auf der konvexen Seite eines einseitig abgeflachten zy­ lindrischen Trägers 22 angeordnet ist. Der Träger 22 weist für die Schallzuführung auf der abgeflachten Seite ein Loch 23 auf, welches zur Schallzuführung des von dem Meßgut kommenden Schallanteils dient. Die Abmessungen des Mikrophons betragen für einen Betrieb bei ungefähr 100 KHz, z. B. für den Zylinderdurchmesser, 3,5 mm bei einer Folienbreite von ebenfalls 3,5 mm. Zusätzlich kann unmittelbar an das Mikrophon 21 ein Röhrchen 24 angeord­ net werden, welches den vom Meßgut kommenden Schallan­ teil einfängt und nach Art eines Stethoskops dem Mikro­ phon zuleitet. Das Röhrchen ist außen mit einem schall­ absorbierenden Schaumstoff 26, z. B. ein offenporiger Polyurethanschaumstoff, versehen, wodurch nur der unmit­ telbar von dem Meßgut kommende Schallanteil und keine von dem Empfänger bzw. der Senderanordnung reflektierten Schallwellen erfaßt werden, die die Messung verfälschen könnten. Weiterhin ist es möglich, das Röhrchen innen ganz oder teilweise mit einem mäßig schallabsorbierendem Material 25 zu füllen, um Resonanzen im Röhrchen zu ver­ meiden und das Mikrophon vor Verschmutzungen zu schüt­ zen. Der Schaumstoff soll dabei so viel absorbieren, daß keine Resonanzen auftreten und so viel durchgelassen wird, daß ein ausreichendes Signal erhalten wird. Das Röhrchen kann z. B. einen Außendurchmesser von 3 mm und einen Innendurchmesser von 2,5 mm und eine Länge von ungefähr 30 mm aufweisen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vor­ richtung mit einer Empfängeranordnung 30 mit mehreren Empfängern 20, die insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn in vielen parallelen Spuren, z. B. über die gesamte Banknotenbreite, gemessen wird. Die Senderanordnung 10 beaufschlagt das Meßgut 1 über die gesamte Breite 3 mit einem fokussierten linienförmigen Schallfeld. Das in Längsrichtung bewegte Meßgut kann dann von der quer zur Transportrichtung in einem Abstand 4, z. B. 0,5-2 mm, angeordneten Empfängerzeile 30, die sich über die gesamte Breite des Meßguts erstreckt, in einer Transmis­ sionsmessung vollständig abgetastet werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur dynamischen berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder des Flächengewichts von einem in ei­ ner definierten Richtung transportierten Meßgut, wie Banknoten, Papier oder ähnlichem, mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sen­ der mit gleicher Abstrahlcharakteristik phasengleich in Richtung eines quer zur Transportrichtung definierten Bereichs des Meßguts Ultraschallwellen abstrahlen, so daß im definierten Bereich des Meßgutes ein fokussiertes Schallfeld mit hoher Schallintensität erzeugt wird, der von dem Meßgut kommende Schallanteil in einem Abstand erfaßt wird, der kleiner oder gleich der verwendeten Schallwellenlänge ist und der erfaßte Schallanteil zur Bestimmung der Dicke und/oder des Flächengewichts ausge­ wertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßgut in Längsrichtung be­ wegt wird und daß sich der definierte Bereich über die gesamte Breite des Meßguts erstreckt und linienförmig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgut mit Dauer­ schall beaufschlagt wird und der durch daß Meßgut trans­ mittierte Schallanteil erfaßt und ausgewertet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, umfassend eine Einrichtung (5) zum Transport des Meßguts in einer definierten Richtung, eine Sender­ anordnung (10), wenigstens einen Empfänger (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Senderanordnung (10) mehrere Sender (11) aufweist, die auf einen quer zur Transportrichtung definierten Bereich (3) des Meß­ guts (1) ein fokussiertes Schallfeld hoher Schallinten­ sität abstrahlen, wobei die Sender (11) von dem mit dem fokussierten Schallfeld beaufschlagten Bereich des Meß­ guts alle in demselben Abstand (2) angeordnet sind und der Empfänger (20) vom Meßgut in einem Abstand angeord­ net ist, der kleiner oder gleich der verwendeten Schall­ wellenlänge ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Senderanordnung (10) als Sen­ der (11) im wesentlichen halbzylindrisch gewölbte Piezo­ polymerfolien aufweist, deren Länge mindestens der Breite des Meßguts entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die halbzylindrisch gewölbten Piezopolymerfolien (11) zeilenförmig auf einem Träger (12) angeordnet sind, der in der Form einem Segment ei­ nes Zylindermantels entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung mehrere Empfänger (20) aufweist, die quer zur Transportrichtung nebenein­ ander als Empfängerzeile (30) angeordnet sind, die sich über die gesamte Breite des Meßguts erstreckt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Empfänger (20) für die Schallzuführung ein Röhrchen (24) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Empfänger (20) eine im wesentlichen halbzylindrisch gewölbte Piezopolymerfolie aufweist, die auf einer Seite des Trägers (22) angeord­ net ist und der Träger (22) für die Schallzuführung mit einem Loch (23) versehen ist.

10. Ultraschallsenderanordnung (10) mit mehreren Sendern (11), die eine gleiche Abstrahlcharakteristik aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender (11) auf einem Träger (12) angeordnet sind, der die Form von einem Segment eines Zylindermantels hat.

11. Ultraschallsenderanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender (11) als im wesentlichen halbzylindrisch gewölbte Piezopolymerfo­ lien ausgebildet sind.

12. Ultraschallempfänger (20) mit wenigstens einer Pie­ zopolymerfolie (21), die auf einer Seite eines Trägers (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Träger (22) ein Loch (23) für die Schallzuführung auf die Piezopolymerfolie (21) aufweist.

13. Ultraschallempfänger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezopolymerfolie (21) eine im wesentlichen halbzylindrisch gewölbte Form aufweist und der Träger (22) als einseitig abgeflachter Zylinder ausgebildet ist und das Loch (23) auf der fla­ chen Seite und die Piezopolymerfolie (21) auf der kon­ vexen Seite des Trägers (22) angeordnet ist.

14. Ultraschallempfänger nach Anspruch 12 oder 13, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Schallzuführung ein Röhrchen (24) vorgesehen ist, das in das Loch (23) des Trägers (22) mündet.

15. Ultraschallempfänger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (24) innenseitig ganz oder teilweise mit einem den Ultra­ schall schwach absorbierenden Material (25) gefüllt ist.