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Diese
Erfindung betrifft im wesentlichen kontaktlose Messsysteme zur Überwachung
einer Materialbahn, und insbesondere eine Ultraschallvorrichtung
und ein Verfahren zum Diagnostizieren von Druckmaschinen-Bahnrissen,
während
der Effekt von Bahnfalten beim Erfassungsprozess minimiert wird,
welche einen Ultraschallsender und mindestens zwei Ultraschallempfänger verwenden.
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Messsysteme,
insbesondere Ultraschall-Messsysteme werden in der Druckindustrie allgemein
verwendet, um Eigenschaften einer Papierbahn („Bahn"), die durch eine Anlage, wie z.B. eine
Druckmaschine verläuft,
zu überwachen.
Die Ultraschalltechnik ist aufgrund ihres zuverlässigen Betriebs in der oft
staubigen und schmutzigen Druckfabrikumgebung weit verbreitet.
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Die
Prinzipien des Betriebs von Ultraschall-Messsystemen sind allgemein
bekannt. Wenn Ultraschallenergie (d.h. eine Frequenz höher als
der hörbare
Bereich oder über
20 kHz) auf ein Objekt, wie z.B. eine Bahn fällt, wird ein Teil der Energie
reflektiert, ein Teil übertragen
und ein Teil absorbiert. Das Messen der Zeit zwischen der Aussendung
der Energie und der Rückkehr
der reflektierten Energie (das „Rückecho") ermöglicht es, den Abstand vom Ultraschallsender
und/oder dem Empfänger
zur Bahn zu bestimmen.
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Eine
wichtige Funktion eines Ultraschall-Messsystems für eine Druckmaschine
ist, Bahnrisse durch das Überprüfen der
Abwesenheit oder Anwesenheit einer Bahn innerhalb eines bestimmten
Abstandes vom Messsystem zu erfassen. Ein typisches Ultraschall-Bahnriss-Erfassungssystem
erzeugt ein Notfall- Abschaltsignal,
wenn die Bahn als abwesend bestimmt wird. Die Bahn wird als abwesend
eingeschätzt,
wenn ein Ultraschallempfänger
innerhalb einer bestimmten Zeit kein Rückecho erhält oder wenn die Zeit zum Empfang
des Rückechos
anzeigt, dass die Bahn sich außerhalb akzeptabler
Toleranzen bewegt hat. Umgekehrt betrachtet das Messsystem die Bahn
als anwesend und erzeugt kein Notfall-Abschaltsignal, wenn es innerhalb
einer akzeptablen Zeit ein Rückecho
gibt.
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Wenn
eine Bahn reißt,
wird die Bahn oft in die Druckmaschine zurückgezogen, wo sie sich zwischen
den Druckwalzen verheddert, was zu einer wesentlichen Ausfallzeit
und Reparaturkosten führt. Wenn
ein Bahnriss festgestellt wird, ist es oft wünschenswert, eine Maschinenschutzvorrichtung
einzusetzen, die die Druckmaschinen stoppt und die Bahn an verschiedenen
Punkten abtrennt und/oder zurück führt. Folglich
könnte
ein falscher Bahnrissalarm eine bedeutende und unnötige Verzögerung und
Kosten verursachen.
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Zwei
allgemein bekannte Ultraschall-Bahnrisserfassungssysteme, die in
der Druckindustrie verwendet werden, schließen den im US-Patent Nr. 5 036
706 von Gnuechtel et al. offenbarten Schall-Bahnrissdetektor und
das Modell 1127 des von Baldwin Web Controls hergestellten Ultraschall-Bahnrissdetektors
ein. Solche Systeme erfassen die Anwesenheit oder Abwesenheit einer
Bahn innerhalb gewisser Toleranzen, die mit der Bahngeschwindigkeit
variieren.
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Bahnriss-Detektoren
werden im allgemeinen direkt an einer Druckmaschine senkrecht zur
Ebene der Bahn, wenige Inches von der Bahnoberfläche entfernt montiert. Bekannte
Bahnrissdetektoren weisen typischerweise ein Paar von piezoelektrischen Wandlern
auf, die in entgegen gesetzten Weisen funktionieren, d.h. ein Wandler
sendet Ultraschallenergie mit einer vorbestimmten Amplitude, Frequenz und
Phasenwinkel aus, und ein zweiter Wandler empfängt ein Rückecho der ausgesendeten Energie. Der
Senderwandler und der Empfängerwandler
weisen zusammen einen Schallkopf auf, und sind typischerweise unter
einem geringen Winkel, z. B. 5 bis 10 Grad, zueinander hin geneigt.
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Die
Aussendung und der Empfang der Schallenergie durch den Schallkopf
wird typischerweise durch ein Steuereinheitsmodul koordiniert, das bewirkt,
dass der Sender alle paar Millisekunden einen kurzen Schallenergiestoß aussendet
und, wenn die Bahn vorhanden ist, den Empfänger sucht, um ein Rückecho von
Schallenergie innerhalb einer bestimmten Zeit, z.B. 300 bis 780
Mikrosekunden nach dem Beginn der Aussendung des Energiestoßes, zu erfassen.
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Außerdem muss,
wenn die Bahn vorhanden ist, der Empfänger im allgemeinen das Vorhandensein
eines Rückechos
von der Bahn während
einer gewissen Anzahl aufeinanderfolgender Aussendungssignale zeigen.
Die Anzahl der Rückechosignalabwesenheiten,
die toleriert wird, hängt
von der Bahngeschwindigkeit ab und nimmt ab, wie sich die Bahngeschwindigkeit
erhöht.
Die Anzahl der Rückechoabwesenheiten
wirkt so als ein Filter, der hilft, die Möglichkeit des Erfassungssystems,
das ein Notfallabschaltsignal aufgrund von Bahnschwankungen oder
kleinen Löchern
in der Bahn ausgibt, zu verbessern.
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Wenn
eine Bahn vorhanden ist, kann das Steuereinheitsmodul ferner die
Stärke
des Rückechos
ständig überwachen,
um festzustellen, ob der Empfängerwandler
verschmutzt wurde, z.B. mit Tinte oder Papierstaub schmutzbedeckt
wurde. Ein Zwei-Wandler-Schallkopf funktioniert nicht richtig, wenn
der Empfängerwandler
zu schmutzig ist.
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Oft
synchronisiert eine einzige Steuereinheit mehrere Bahnriss-Erfassungssysteme,
wobei jedes Erfassungssystem einen oder mehrere Schallköpfe aufweist,
so dass die zeitliche Abstimmung der Schallenergieaussendung und
der Empfang für
jeden Schallkopf synchronisiert wird. Synchronisierende Erfassungssysteme,
die in enger Nähe
zueinander sind, beseitigen Störungen
bei der Erfassung von Rückechos,
die sich ergeben würden,
wenn die zeitliche Abstimmung nicht genau synchronisiert ist.
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Typische
Ultraschall-Bahnrisserfassungsysteme, die ein einziges Sender-Empfänger-Wandlerpaar
pro Schallkopf verwenden, leiden an dem Problem, dass harmlose Bahnecken
und Falten in der Bahn, die eine merkliche Verschlechterung des
Rückechosignals
bewirken, fälschlicherweise
als tatsächliche
Bahnrisse verstanden werden, und dadurch die Maschine abschalten
und die Bahnen unnötigerweise
abtrennen und zurück
führen.
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Frühere Systeme
haben versucht, das Problem des falschen Bahnrissalarms, das durch
Falten verursacht wird, zu lösen,
indem die verarbeiteten Signale von zwei Schallköpfen in paralleler Logik verbunden
werden, so dass jeder Schallkopf die Abwesenheit der Bahn feststellen
muss, bevor ein Notfallabschaltsignal erzeugt wird.
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Parallele
Logikverbindung der Schallköpfe leidet
jedoch an verschiedenen Nachteilen. Erstens wird mit zwei Schallköpfen, die
im wesentlichen als eine Erfassungseinheit dienen, Raum in einem
Erfassungssystem verschwendet. Zweitens werden die Kosten und die
Komplexität
erhöht,
wo ein Senderwandler und zugeordnete Elektronik für jeden
Empfängerwandler
verwendet werden muss, dann müssen
beide Senderwandler synchronisiert werden, um eine Störung zwischen
den benachbarten Wandlerpaaren zu verhindern. Drittens muss das
Steuereinheitsmodul die gleiche Bahnerfassungsanalyse für jeden
Empfängerwandlereingang
durchführen.
Dies verschwendet Steuereineinrichtungseingänge und erhöht die Bahnrisserfassungszeiten
und erzeugt so das Potential für
ernsthaftere Maschinenstaus. Wenn zum Beispiel zwei Schallköpfe parallel
verbunden werden, führt
ein kleiner Bahnriss an nur einer Kante (d.h. unter nur einem Schallkopf),
oft als ein „Kantenriss" bezeichnet, nicht
zur Maschinenabschaltung, bis der Riss weiter über die Bahn wandert. Dies
ist deshalb der Fall, da, wenn sie in paralleler Logik verbunden sind,
beide Schallköpfe
einen Bahnriss feststellen müssen,
bevor ein Notfallabschaltsignal erzeugt wird.
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Ein
Ziel der Erfindung ist, die Minimierung von falschen Bahnrissalarmen,
die erstens aus Bahnfalten und zweitens aus winkelförmiger Bahnverzerrung
resultieren, zu ermöglichen.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist, die Verringerung einer Anzahl von
Komponenten, die zur Feststellung eines Bahnrisses notwendig sind,
zu ermöglichen
und falsche Bahnrissalarme, die aus Bahnfalten resultieren, zu verhindern.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist, die Zuverlässigkeit von Bahnrisserfassungssystemen
zu erhöhen.
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Ein
noch weiteres Ziel der Erfindung ist, die Bahnrisserfassungszeit
zu verringern.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erfassen eines Bahnrisses geschaffen, aufweisend: periodisches Aussenden
eines Energiestoßes über einen
Zeitraum durch einen ersten Wandler, wobei der Energiestoß von der
Bahn weg reflektiert wird und dadurch ein Echosignal erzeugt; Empfangen
eines ersten Teils des Echosignals durch einen zweiten Wandler und
Empfangen eines zweiten Teils des Echosignals durch einen dritten
Wandler; Bestimmen einer Stärke des
ersten Teils des Echosignals und einer Stärke des zweiten Teils des Echosignals;
Vergleichen der Stärke
des ersten Teils des Echosignals mit der Stärke des zweiten Teils des Echosignals
zur Feststellung, welcher Teil stärker ist; Analysieren des stärkeren Teils
des Echosignals, um das Vorhandensein eines Bahnrisses zu bestimmen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erfassen eines Bahnrisses geschaffen, aufweisend: periodisches Aussenden
eines Energiestoßes über eine
Zeitdauer durch einen ersten Wandler, wobei der Energiestoß durch
die Bahn reflektiert wird und dadurch ein Echosignal erzeugt; Empfangen
eines ersten Teils des Echosignals durch einen zweiten Wandler;
und Empfangen eines zweiten Teils des Echosignals durch einen dritten
Wandler; und Addieren des ersten Teils des Echosignals und des zweiten
Teils des Echosignals, um ein resultierendes Signal zu erhalten;
und Analysieren des resultierenden Signals, um das Vorhandensein
eines Bahnrisses zu bestimmen.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Feststellen eines Bahnrisses geschaffen, aufweisend: einen ersten
Wandler zum periodischen Aussenden eines Energiestoßes über einen
Zeitraum, wobei der Energiestoß von
der Bahn reflektiert wird und dadurch ein Echosignal erzeugt; einen
zweiten Wandler, der zum Empfang eines ersten Teils des Echosignals
ausgebildet ist; einen dritten Wandler, der zum Empfang eines zweiten
Teils des Echosignals ausgebildet ist; eine Systemsteuereinheit,
die in Kommunikation mit dem zweiten und dritten Wandler zum Empfang
und Vergleich des ersten und zweiten Teils des Echosignals angeordnet
ist, um den stärkeren
Teil des Echosignals zu bestimmen und um aus der Analyse des stärkeren Teils
des Echosignals das Vorhandensein eines Bahnrisses zu bestimmen.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Feststellen eines Bahnrisses geschaffen, aufweisend: einen ersten
Wandler zum periodischen Aussenden eines Energiestoßes über einen
Zeitraum, wobei der Energiestoß von
der Bahn weg reflektiert wird und dadurch ein Echosignal erzeugt;
einen zweiten Wandler, der zum Empfang eines ersten Teils des Echosignals ausgebildet
ist; einen dritten Wandler, der zum Empfang eines zweiten Teils
des Echosignals ausgebildet ist; und eine Systemsteuereinheit, die
in Kommunikation mit dem zweiten und dritten Wandler zum Empfang
des ersten und zweiten Teils des Echosignals angeordnet ist, zum
Addieren des ersten und zweiten Teils des Echosignals, um ein resultierendes
Signal zu erhalten und um das resultierende Signal zu analysieren,
um das Vorhandensein eines Bahnrisses zu bestimmen.
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Weitere
Aspekte der Erfindung und bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 ein typisches Heatset-Drucksystem mit
mehrfachen Druckeinheiten darstellt.
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2a zeigt eine weggeschnittene
Seitenansicht eines Ultraschall-Detektionsmoduls
zur Diagnostizierung von Druckmaschinen-Bahnrissen gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2b stellt eine weggeschnittene
Seitenansicht eines Detektorstabes zur Unterbringung von bis zu
vier Detektionsmodulen gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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3 stellt das Betriebsprinzip
des Ultraschall-Detektionsmoduls zur Diagnostizierung von Druckmaschinen-Bahnrissen
dar, während
falsche Bahnrissalarme gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung reduziert werden.
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4 ist eine schematische
elektrische Darstellung des Ultraschall-Detektionsmoduls gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 stellt den Unterschied
im Phasenwinkel eines Rückechosignals
dar, das durch einen linken Empfängerwandler
empfangen wird, und ein Rückecho,
das durch einen rechten Empfängerwandler eines
Detektionsmoduls gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung empfangen wird.
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen, wo gleiche Zahlen gleiche Komponenten
bezeichnen, stellt 1 ein
typisches Heatset-Drucksystem mit mehrfachen Druckeinheiten dar.
Wie dargestellt, kann die Druckvorrichtung mehrere Druckeinheiten 10A–10D aufweisen,
welche je eine oder mehrere ausgestanzte Druckzylinderkombinationen 5,
die im Druckverfahren verwendet werden, aufweist. Wenn die Druckeinheiten 10A–10D laufen,
führen
die ausgestanzten Zylinder 5 eine kontinuierliche Papierbahn 30 durch die
Druckeinheiten 10A-10D von
einer Einführeinheit 2 stromaufwärts von
den Druckeinheiten 10A–10D zu
und dann durch eine Bahntrocknungseinheit 35 und ein Kühleinheit 40 stromabwärts von
den Druckeinheiten 10A–10D.
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Die
Bahnrisserfassungssysteme 15, die Ultraschallsysteme sein
können,
sind an verschiedenen Stellen im System über der Bahn 30 angeordnet, um
festzustellen, wenn die Bahn 30 reißt. Wie dargestellt, ist ein
Bahnriss 42 in der Trocknereinheit 35 aufgetreten.
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2a zeigt eine weggeschnittene
Seitenansicht eines Ultraschall-Detektionsmoduls 50 zum Diagnostizieren
eines Druckmaschinen-Bahnrisses gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Detektionsmodul 50 kann
geformter Kunststoff sein und Abmessungen von ungefähr 4,5 Inch
(114 mm) Länge
auf ungefähr
1,7 Inch (43 mm) Höhe
aufweisen.
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Das
Detektionsmodul 50 kann einstellbar an einer Detektorstange 130 angeordnet
sein, wie in 2b dargestellt,
die aus extrudiertem Aluminium sein kann. Die Detektorstange 130 kann
einen Kanal 132 aufweisen, der ausreichend lang ist, um
bis zu vier Detektionsmodule 50 zu halten, die in Reihenlogik
in Schlitzpositionen 134a, b, c bzw. d angeordnet sind.
Das Versehen der Detektorstange mit vier Modulen 50 ermöglicht eine
genaue Bahnerfassung bei Voll- und Halbbahnzuständen. Das Detektionsmodul 50 hat
ungefähr
die gleichen Abmessungen wie ein Baldwin-Schallkopf Modell 1127,
und daher können die
Schlitze 134a, b, c oder d entweder
Detektionsmodule 50 oder frühere Schallköpfe wie
das Baldwin-Modell 1127 aufnehmen.
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Wieder
mit Bezug auf 2a, kann
ein Ansatz 51 die Einführung
und Entfernung des Detektionsmoduls 50 in und von der Detektorstange 130 erleichtern.
Eine Basisseite 58 des Detektionsmoduls 50 passt
in den Detektorstangenkanal 132. Die Detektorstange 130 ist über Halterungen
(nicht dargestellt) so an einer Druckmaschine montiert, dass eine Detektionsseite 60 des
Detektionsmoduls 50 senkrecht zur Ebene der Bahn zur Bahn 136 hin
ausgerichtet ist, nominell 2,5 Inch (64 mm) von der Bahnoberfläche entfernt.
Drei dimensionsmäßig identische piezoelektrische
Wandler 62, 64 und 66 sind in einzelnen
Wandlergehäusen 52, 54 und 56 untergebracht.
Die Wandler 62, 64 und 66 können zylindrisch sein,
wobei das Zentrum jedes Wandlers ungefähr 1,2 Inch (30 mm) von seinem
Nachbarn entfernt ist und aus einer Dose bestehen kann, die eine
piezokeramisch angetriebene Aluminiummembran aufweist. Jede Dose
wiederum kann in eine Gummimanschette eingeschlossen sein. Geeignete
Wandler sind im Handel erhältlich
von Motorola, Produktnummern KSN6541A und KSN6540A, und von S. Square
Enterprise Co., Ltd., Taiwan, Produktnummern RE455ET/R180 oder RE400ET/R180.
Ein Wandler, der bei 45,5 kHz, 40 kHz oder einer anderen Frequenz
oszilliert, kann verwendet werden.
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Ein
Senderwandler 62 kann in einem Wandlergehäuse 52 untergebracht
sein und von Wandlerhaltern 52a und 52b an seinem
Platz gehalten werden. Der Senderwandler 62 kann alle 10
Millisekunden einen kurzen Stoß von
vier Impulsen, zum Beispiel 77 Mikrosekunden lang, mit 45,5 kHz
Schallenergie zur Bahn hin aussenden.
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Ein
Empfängerwandler 64 kann
im Wandlergehäuse 54 untergebracht
sein, das von den Wandlerhaltern 54a und 54b gehalten
wird, während
ein zweiter Empfängerwandler 66,
der ungefähr
2,4 Inch (61 mm) vom ersten Empfängerwandler
entfernt ist, im Wandlergehäuse 56 untergebracht
sein kann, das durch Wandlerhalter 56a und 56b befestigt
ist. Die Empfängerwandler 64, 66 erfassen
das Vorhandensein eines Rückechos
der ausgesendeten Schallenergie.
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Der
Senderwandler 62 ist im allgemeinen senkrecht zur Ebene
der Bahn, während
die Empfängerwandler 64, 66 zum
Senderwandler hin unter einem geringen Winkel, zum Beispiel 10 Grad,
geneigt sein können.
Drei kegelförmige
Hörner 53, 57 und 59, die
mit dem geformten Kunststoff des Detektionsmoduls 50 integral
sein können,
wirken einem Übersprechen
zwischen den Wandlern 62, 64 und 66 entgegen.
Das zentrale Horn 57, das dem Senderwandler 62 zugeordnet
ist, ist kürzer
als die Hörner 53 und 59, die
den Empfängerwandlern 64, 66 zugeordnet
sind, so dass unter anderem ausgesendete Schallenergie einen breiten
Strahl aussendet. Die Strahlbreite kann ungefähr 60 Grad betragen, wogegen
frühere
Schallköpfe
mit zwei Wandlern mit gewinkelten Senderwandlern Gesamtstrahlbreiten
von nur 45 Grad aussendeten.
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Die
Empfängerwandler 64, 66 sind
typischerweise sofort nach dem Aussenden eines Schallenergiestoßes durch
den Senderwandler 62 aktiv. Um das Vorhandensein der Bahn
festzustellen, muss ein Empfängerwandler 64, 66 im
allgemeinen eine vordere Kante eines Rückechos der ausgesendeten Schallenergie 300 bis 780 Mikrosekunden
nach der anfänglichen
Aussendung der Schallenergie zur Bahn hin feststellen.
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Das
Messen der Zeitdauer, die zwischen dem anfänglichen Aussenden von Schallenergie durch
den Senderwandler 62 und das Erfassen der vorderen Kante
des Rückechos
durch den Empfängerwandler 64, 66 vergangen
ist, und das Kennen der Geschwindigkeit von Schall in Luft ermöglicht es, den
Abstand der Bahn vom Detektionsmodul 50 zu berechnen. Die
Berechnung kann durch eine Systemsteuereinheit (nicht dargestellt)
wie z.B. das Modell 1127 von Baldwin Web Controls unter
Verwendung allgemein bekannter Verfahren durchgeführt werden.
Die Bahn wird als vorhanden betrachtet, wenn sie innerhalb bestimmter
Entfernungen, z.B. 1 bis 4 Inch (25–100 mm) vom Detektionsmodul 50 gefunden
wird. Wenn die Bahn nicht innerhalb von 1 bis 4 Inch (25–100 mm)
vom Modul 50 entfernt erfasst wird, wird durch die Bahnsystemsteuereinheit
ein Notfallabschaltsignal an die Druckmaschine (in 1 dargestellt) gesendet (wie weiter unten
erörtert).
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Die
Verbindungsanschlussstelle 55 ermöglicht es dem Detektionsmodul 50 mit
der Systemsteuereinheit über
ein Kabel (nicht dargestellt) fernverbunden zu sein, welches die
Kommunikation zwischen dem Detektionsmodul 50 und der Systemsteuereinheit
liefert.
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Die
Systemsteuereinheit ist zum Beispiel verantwortlich für (1) die
Erzeugung von Steuersignalen, die bewirken, dass der Senderwandler 62 periodisch
Schallenergiestöße aussendet,
(2) die Annahme und Analyse der Rückechosignale, die durch den
Empfängerwandler 64, 66 erfasst
werden, und (3) für
die Feststellung, ob die Bahn unter dem Detektionsmodul 50 vorhanden
ist oder nicht, basierend auf der Analyse, die an den Rückechosignalen
durchgeführt
wird.
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Eine
Bahn wird von der Steuereinheit als abwesend betrachtet, wenn es
keine Rückechosignale von
der Bahn (innerhalb eines gegebenen Abstands, wie z.B. 1 bis 4 Inch
(25 bis 100 mm)) für
eine bestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Sendesignalen gibt,
wobei die Anzahl der tolerierten Rückechoabwesenheiten von der
Bahngeschwindigkeit abhängt.
Die Verfahren zur Verarbeitung von Rückechosignalen basierend auf
der Bahngeschwindigkeit, um die An- oder Abwesenheit der Bahn zu
bestimmen, sind einem Fachmann allgemein bekannt.
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Die
Häufigkeit
von falschen Bahnrissalarmen, die aufgrund von Bahnfalten auftreten,
wird reduziert unter Verwendung der bevorzugten Ausführungsform
des Detektionsmoduls, das konstruiert und ausgerichtet ist, wie
in Verbindung mit 2 beschrieben,
und dessen Betriebsprinzip grafisch in 3 dargestellt ist. Die Rückechosignalstärke 75, d.h.
eine direkte Stromgröße eines
Rückechosignals, ist
gegen die Faltenentfernung von einem Mittellinienpunkt 73 direkt
unterhalb eines Senderwandlers für
einen linken Empfängerwandler 70 und
einen rechten Empfängerwandler 72 aufgetragen,
wobei die linken und rechten Senderwandler ungefähr 2,4 Inch (61 mm) entfernt
angeordnet sind, wenn eine Bahnfalte mit einer Höhe von 0,43 (10,92 mm) Inch unter
dem Ultraschall-Detektionsmodul von links nach rechts verläuft.
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Die
Kurve 75 zeigt, dass die linken und rechten Wandlerempfänger an
verschiedenen Stellen vom gleichen Wandler Signalverluste (und deshalb abwesende
Rückechosignale)
haben, wenn die Falte die Position ändert. Während zum Beispiel der rechte Empfängerwandler 72 eine
relative Signalstärke
von ungefähr
5,5 aufrechterhält,
wenn die Falte nahe der linken Seite des Detektionsmoduls ist, fällt die
Signalstärke
des linken Empfängerwandlers
auf ungefähr
1 ab. Umgekehrt hält,
wenn die Falte sich zur rechten Seite des Detektionsmoduls bewegt,
der linke Empfängerwandler
eine Signalstärke
von ungefähr
5,5 aufrecht, während
die Signalstärke
des rechten Empfängerwandlers
auf ungefähr
1 abfällt.
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Eine ähnliche
Situation ergibt sich, wenn die Bahn zur Seite gekippt ist, und
wie von einem Fachmann geschätzt
wird, sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, welche dazu
beitragen, falsche Bahnrissalarme, die von Bahnfalten herrühren, zu
reduzieren, auch anwendbar zur Verringerung der falschen Alarme,
die aufgrund von Bahnwinkeln auftreten.
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Der
Signalverlust, der vom Empfängerwandler,
der am nächsten
zur Falte liegt, erfasst wird, kann zum Beispiel durch zwei Grundprinzipien
der Wellenmechanik erklärt
werden. Erstens erzeugt ein Anstieg in der Bahnhöhe aufgrund der Falte ein Hindernis
im Weg des Rückechosignals – die Falte
blockiert so die meisten der Rückechosignale,
so dass sie nicht durch den Empfängerwandler,
der am nächsten zur
Falte liegt, erfasst werden. Zweitens verursacht die Falte die Verschiebung
eines Phasenwinkels der Rückechosignale,
so dass eine Signallöschung
bei der gesendeten Schallenergie erfolgt.
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So
ist zu sehen, dass die Wirkung der Bahnfalten auf den Bahnrisserfassungsprozess
durch den Vergleich der Rückechosignalstärken, die
durch die linken und rechten Empfängerwandler erfasst werden,
bevor die Systemsteuereinheit eine Analyse der Rückechosignale durchführt, verringert
werden. Dann muss nur das stärkere
des linken oder rechten Empfängerwandlersignals
durch die Steuereinheit analysiert werden, um festzustellen, ob
die Bahn unter dem Detektionsmodul vorhanden ist oder nicht.
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Die
Verwendung von zwei Empfängerwandlern
in der hier beschriebenen Weise erhöht die Zuverlässigkeit
des Detektionsmoduls gegenüber
früheren
Systemen, die einen Senderwandler und einen Empfängerwandler aufweisen.
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Zum
Beispiel beeinflusst ein Empfängerwandler,
der versagt oder durch Schmutz blockiert wird, nicht den ununterbrochenen
Betrieb eines Detektionsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, da
ein zweiter Empfängerwandler
weiterhin Bahnrisse in einer Weise erfasst, die mit früheren Zwei-Wandler-Systemen
vergleichbar ist.
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Wie
ferner von einem Fachmann erkannt wird, beseitigt das Drei-Wandler-Detektionsmodul gemäß der vorliegenden
Erfindung den Bedarf an einer parallelen Logikverbindung der Detektionsmodule.
So werden Bahnkantenrisse schnell erfasst.
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4 ist ein schematisches
elektrisches Schaubild des Ultraschall-Detektionsmoduls gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Elektronik ist zur Verwendung mit
einer Systemsteuereinheit Modell 1127 von Baldwin Web Controls
ausgelegt, die allgemein bekannte Verfahren zur Lieferung eines
4-Pulssignals an einen Senderwandler und zur digitalen Verarbeitung
der durch einen Empfängerwandler
erfassten Rückechosignale
verwendet.
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Die
Schaltung 80, die dem Senderwandler 81 der bevorzugten
Ausführungsform
des in Verbindung mit 2 beschriebenen
Detektionsmoduls zugeordnet ist, empfängt einen Eingang 82 von
der Systemsteuereinheit (nicht dargestellt) und wird über einen
Widerstand 83 den dualen Emitterfolgern 84, 85 zugeführt. Die
dualen Emitterfolger 84, 85 treiben über den
Kopplungskondensator 86 den Senderwandler 81 an
seinem Resonanzpunkt mit geringer Impedanz an, wobei die Sendefolge
mit dem Induktor 87 und dem Kondensator 88 in
Resonanz ist.
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Die
Schaltung 90a ist einem ersten Empfängerwandler 91a zugeordnet,
die identische Schaltung 90b ist einem zweiten Empfängerwandler 91b zugeordnet,
wobei beide Wandler 91a und 91b gemäß der bevorzugten
Ausführungsform des
Detektionsmoduls, das in Verbindung mit 2 beschrieben ist, konstruiert und ausgerichtet
sind.
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Die
Eingänge
von den Empfängerwandlern 91a, b werden
Kondensatoren 92a,b und Widerständen 93a,b
zugeführt.
Die Kondensator-Widerstand-Kombinationen
unterscheiden gegen Störungen
niedrigerer Frequenz. Operationsverstärkerstufen 94a, b zusammen
mit ihren zugeordneten Kondensatoren 95a,b und
Widerständen 96a,b liefern eine
Verstärkung
zusammen mit einer Impedanzwandlung. Die Stufen 97a,b einschließlich den Operationsverstärken 98a,b und
ihre zugeordneten Komponenten beginnend mit Widerständen 99a,b weisen
zweipolige Bandpassfilter auf, die bei der Senderwandlerfrequenz
zentriert sind. Die Stufen 97a,b liefern auch
eine Verstärkung.
Die Ausgänge der
Stufen 97a,b dienen als Eingänge der Stufen 118a, b,
die eine große
einstellbare Verstärkung
liefern.
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An
diesem Punkt könnten
die Rückechosignale,
die durch jeden Empfängerwandler
erfasst werden, zusammen addiert werden und durch die Systemsteuereinheit
verarbeitet werden. Das Additionsverfahren ist jedoch nicht bevorzugt,
da, wie in 5 dargestellt,
die Signale vom linken Empfängerwandler 70 und
dem rechten Empfängerwandler 72 phasenverschoben
sein können.
Wie dargestellt sind die Signale um 180 Grad phasenverschoben, so
dass eine einfache Addition der Signalgrößen unmöglich wäre und zu einer nicht zufriedenstellenden
Bahnerfassung führen
könnte.
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Daher
wird es bevorzugt, dass die Stufen 119a,b plus 100a,b eine
Vollwellengleichrichtung der Signale durchführen, so dass die absoluten
Größen oder
direkten Stromwerte der Rückechosignale,
die durch jeden Empfängerwandler
erfasst werden, erhalten werden. Die gleichgerichteten Signale stellen die
relativen Signalstärken
dar. Die Komponenten 101a,b und 102a,b liefern
eine Filterung.
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Die
gleichgerichteten und gefilterten Signale werden durch Operationsverstärkerstufen 103a,b und
ihre zugeordneten Komponenten Impedanz gewandelt. Dann wird jedes
Signal einer Vergleicherstufe 104 zugeführt, die den Analogschalter 105 antreibt.
Der Analogschalter 105 wählt das stärkere der beiden Signale. Das
stärkste
Signal wird über
einen Kondensator 107 und einen Widerstand 108 einer Endverstärkerstufe 106 zugeführt. Der
Kondensator 109 liefert eine Stabilisierung. Die Stufe 106 treibt
die doppelten Emitterfolger 110, 111, wobei deren
Ausgang 112 in der Lage ist, lange Kabel (nicht dargestellt)
anzutreiben, um das Detektionsmodul mit der Systemsteuereinheit
zu verbinden.