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