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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen nicht kontaktierende
Dicken- oder Stärkemessungen
und insbesondere die Benutzung von Abstandsbestimmungsmitteln, um
sehr genaue Online-Dickenmessungen eines sich bewegenden Gewebes
oder Blattes vorzunehmen.
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Zahlreiche
Verfahren existieren zur Messung der Dicke eines sich bewegenden
Gewebes oder Blattes wie Papier. Zwei der üblichsten Verfahren umfassen
eine direkte Dickenmessung, die kontaktierende Gleiter oder Schuhe
benutzen, welche entlang der zwei Flächen des Gewebes fahren, und
ein kontaktloses Inferenzverfahren, bei dem die Strahlungsabsorption
von dem Gewebe benutzt wird, um das Gewicht pro Einheitsbereich
des Gewebes zu bestimmen, wobei danach die Dicke gefolgert wird,
vorausgesetzt dass die Dichte des Materials mit ausreichender Genauigkeit
bekannt ist. Es gibt viele Variationen und Verbesserungen zu diesen
Verfahren, jedoch weist jede der Techniken zugrunde liegende Nachteile
auf.
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Dem
Kontaktverfahren unterliegen drei grundsätzliche Problemtypen. Erstens
kann das Verfahren durch die Festigkeit des Materials, das gemessen
wird, eingeschränkt
sein. Bei schwachen Blättern
wie Gewebe besteht zum Beispiel eine Tendenz dazu, dass die Kontaktschuhe
in der Blattfläche haken,
was Risse in dem Blatt verursachen kann oder sogar verursachen kann,
dass das Blatt zerreißt.
Zweitens kann das Blatt selbst aufgrund entweder des Abriebs auf
den Kontaktelementen oder der physischen Beschädigung während des Blattumbruchs einen
Kontaktstärkesensor
beschädigen.
Bei Stärkesensoren,
welche das Blatt durchqueren, können
Beschädigungen
auch verursacht werden, wenn der Sensor die Blattkante überquert.
Drittens kann die Genauigkeit von Kontaktsensoren durch die Bildung
von Kontaminanten auf den Kontaktelementen nachteilig beeinflusst
werden, was bei beschichteten oder gefüllten Blättern oder Blättern, die
recycelte Materialien enthalten, der Fall sein kann.
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Die
Inferenzverfahren zur kontaktlosen Dickenmessung vermeiden viele
der Probleme der Kontaktverfahren, unterliegen jedoch einer neuen Reihe
von Problemen. Zum Beispiel sind radioaktive Quellen – die für Dickenmessungen üblich sind,
wenn die Dichte des Produkts bekannt ist – auf manchen Gewebemärkten nicht
erlaubt. Auch ist die radioaktive Messung folgernd, was bedeutet,
dass in dem berechneten Dickenwert bedeutende Fehler auftreten können, wenn
die Dichte des Gewebes nicht wie vorhergesagt ist.
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Mehrere
Erfinder haben vorgeschlagen, dass die Benutzung von Lasern zum
Messen der Dicke eines sich bewegenden Gewebes im Vergleich zu den
anderen verfügbaren
Verfahren eine viel versprechende Option ist. R. Watson beschreibt
ein solches System in US-Patentschrift Nr. 5,210,593 und W. Kramer
beschreibt ein anderes solches System in US-Patentschrift Nr. 4,276,480.
In diesen beiden Systemen umfasst die Laserstärkenvorrichtung auf beiden
Seiten des Gewebes eine Laserquelle, deren Licht auf die Gewebefläche gelenkt
und nachfolgend zu einem Empfänger
reflektiert wird. Die Eigenschaften des empfangenen Lasersignals
werden danach benutzt, um den Abstand von jedem Empfänger zu der
Gewebefläche
zu bestimmen. Diese Abstände werden
addiert und das Ergebnis wird von einem bekannten Wert für den Abstand
zwischen den zwei Laserempfängern
subtrahiert. Das Ergebnis repräsentiert
die Dicke des Gewebes. US-A-5714763
beschreibt einen zweidimensionalen Positionsdetektor in Kombination
mit dynamischen z- und/oder Flattersensoren, die eine dynamische
Erkennung und Korrektur von Ausrichtungsfehlern eines Messkopfes
bereitstellen, wodurch genaue Bestimmungen der Eigenschaften eines
Blattmaterials ermöglicht
werden.
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Die
oben genannten kontaktlosen Ansätze zur
Dickenmessung weisen das erwünschte
Merkmal auf, dass sie viele der Nachteile des Kontaktverfahrens
und der kontaktlosen Inferenzverfahren beseitigen. Es bestehen jedoch
Schwierigkeiten bei den vorgenannten, kontaktlosen Techniken, welche
ihre Verwendung auf Situationen mit einer relativ geringen Genauigkeit
beschränken
können.
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Eines
der Probleme besteht darin, dass das Gewebe nicht immer senkrecht
zu dem einfallenden Licht stehen kann, da das Gewebe eine Tendenz
zum Springen zeigt oder eine diskontinuierliche, wellenartige Bewegung
entwickelt. Wenn das Gewebe zu dem einfallenden Licht nicht senkrecht
ist und die Lichtstrahlen von den zwei entgegengesetzten Lichtquellen
nicht auf exakt die gleiche Stelle auf dem Blatt gerichtet sind,
kann ein bedeutender Messfehler auftreten. Dieser wird durch zwei
Faktoren verursacht. Erstens können
reale Gewebemessvariationen von der ersten Messstelle des Lasers
zu der zweiten Messstelle des Lasers zu einer fehlerhaften Dickenmessung
führen.
Zweitens, wenn das Gewebe zu dem einfallenden Licht nicht senkrecht
ist, führt die
Messtechnik zu einem Fehler des Dickenwertes, der proportional zu
dem Winkel des Gewebes ist, und zu der Fehlanordnung auf der Blattfläche zwischen den
zwei Messstellen. Das Springen oder die Schwingung des Gewebes kann
diesen Fehler weiter verschärfen.
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Verschiedene
winzige Veränderungen
der Systemgeometrie aufgrund zum Beispiel von Wärmeeffekten auf physikalischen
Dimensionen der Messvorrichtung oder auf die Vorrichtungskalibrierung
können
die Messgenauigkeit ebenfalls verschlechtern. Es kann schwierig
sein, diese Effekte direkt zu messen, zum Beispiel durch Messtemperaturen
an verschiedenen Punkten in der Vorrichtung und durch Anwenden von
geeigneten Korrektoren. Die Effekte gewinnen wesentlich an Bedeutung,
wenn sich der Genau igkeitspegel der Messvorrichtung demjenigen nähert, der
für die
Messung und Steuerung von Produkten wie Zeitungspapier oder anderen dünnen Produkten
erforderlich ist.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Um
diese und andere Probleme zu lösen,
haben die Anmelder eine Vorrichtung zur kontaktlosen Dickenmessung
wie in Anspruch 1 definiert entwickelt, die zu sehr genauen Online-Gewebedickenmessungen
fähig ist,
sogar wenn die Messvorrichtung über
das Gewebe kontinuierlich abgetastet wird.
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Das
System der Anmelder umfasst ein erstes und ein zweites Abstandsbestimmungsmittel,
die einen senkrechten Abstandswert von jedem Abstandsbestimmungsmittel
zu der Gewebefläche
erzeugen. Die Abstandsbestimmungsmittel liegen an gegenüberliegenden
Seiten des Gewebes, um die Position jeder Seite der Gewebefläche zu messen
(das heißt, in
der z-Richtung oder senkrecht zu dem Gewebe), und die Messstellenpositionen
werden gesteuert, um in der seitlichen Richtung (das heißt, in der
x-y-Ebene) präzise
zueinander ausgerichtet zu sein. Gleichzeitig wird die z-Richtungstrennung
zwischen den zwei Abstandsbestimmungsmitteln durch einen dritten
Fehlanordnungssensor gemessen, dessen Messausgabe durch die Gegenwart
des dazwischen liegenden Gewebes nicht beeinflusst wird. Die zwei
Abstandswerte werden danach von der z-Richtungstrennung subtrahiert,
um einen Gewebedickenwert zu erhalten.
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Als
Schlüsselteile
der Erfindung wird ein Mittel zum Abtasten und Einstellen einer
Position benutzt, um die Messstelle auf dem Gewebe für die zwei
Abstandsbestimmungsmittel an der gleichen Position in der x-y-Ebene zu halten,
und mehrere Techniken werden kombiniert, um feine Messungenauigkeiten
augrund der Temperatur und/oder aufgrund anderer Effekte zu beseitigen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein schematisches Diagramm des Grundkonzepts für eine standardmäßige Messvorrichtung
ohne die Verbesserungen der Anmelder dar.
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2 stellt
ein schematisches Diagramm des Grundkonzepts für eine standardmäßige Dickenmessvorrichtung,
welche typische Versetzungen für z-Richtungsmesskomponenten
aufweist, und das Abstandsbestimmungsmittel und das z-Sensormittel in
der bevorzugten Geometrie dar.
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3 stellt
den Effekt eines geneigten Gewebes auf die Dickenmessung dar, wenn
die Messstellen für
das Abstandsbestimmungsmittel voneinander versetzt sind.
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4a stellt
eine Seitenansicht einer Pressluftspannplatte und die Kräfte dar,
welche auf das Gewebe ausgeübt
werden, wenn der Luftstrom betriebsbereit ist.
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4b stellt
die Spannplatte von oben dar, wobei das Gewebe entfernt ist.
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5 stellt
die Ausrichtung und einen möglichen
Satz von Positionen in einem Abtastkopf für die x-y-Positionsabtastmittelkomponenten
dar.
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6a stellt
eine Anordnung der paarigen Halleffektvorrichtungen in dem Magnetfeld
des Referenzmagneten und die damit in Verbindung stehende Elektronik
dar.
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6b stellt die Ausrichtung der Magnetowiderstandsvorrichtung
in dem Magnetfeld und die Magnetfeldlinien und ihre jeweiligen Winkel
an mehreren Stellen dar.
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7 stellt
eine Draufsicht des beweglichen Befestigungsrahmens der Abstandsbestimmungsmittel
dar, welche die elastischen Steifen und die magnetischen Ablenkspulen
aufweisen.
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8 stellt
eine Seitenansicht einer möglichen
Ausrichtungsvorrichtung für
die Vorrichtung zur anfänglichen
Dickenmessung dar.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Zunächst wird
das allgemeine Konzept hinter einer kontaktlosen Dickenmessung beschrieben,
um einen gemeinsamen Satz von Begriffen und Variablen bereitzustellen.
Mit Bezug auf 1 können ein erstes und ein zweites
Gehäuse
(hiernach „Köpfe" genannt) 1 und 2 in
einem gemeinsamen System jeweils verschiedene Sensorvorrichtungen
zum Messen von Qualitäten,
Eigenschaften oder Merkmalen eines sich bewegenden Materialgewebes,
das mit 3 gekennzeichnet ist, enthalten. Die Köpfe 1 und 2 liegen
an gegenüberliegenden
Seiten des Gewebes oder Blattes 3, und wenn die Messung über das
Gewebe durch Abtastung durchgeführt
werden soll, werden sie ausgerichtet, um direkt darüber zu fahren, wenn
sie das sich bewegende Gewebe durchqueren. Ein erste Quelle/ein
erster Detektor 4 ist in dem ersten Kopf 1 angeordnet.
Eine zweite Quelle/ein zweiter Detektor 5 ist in dem zweiten
Kopf 2 angeordnet. Die Quellen/Detektoren 4 und 5 umfassen
jeweils nahe voneinander beabstandete erste und zweite Quellen 4a und 5a,
und der erste und der zweite Detektor 4b und 5b sind
derart angeordnet, dass eine Messenergie von der ersten Quelle 4a,
die mit einer ersten Fläche
des Gewebes 3 zusammenwirkt, mindestens teilweise zu dem
ersten Detektor 4b zurückkehren
wird, und eine Messenergie von der zweiten Quelle 5a, die
mit der gegenüberliegenden,
zweiten Fläche
des Gewebes 3 zusammenwirkt, mindestens teilweise zu dem
zweiten Detektor 5b zurückkehren wird.
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In
diesem beschriebenen System umfassen die zu dem Gewebe zeigenden
Flächen
der ersten und der zweiten Quelle jeweils eine erste und eine zweite
Referenzposition. In einem allgemeineren System brauchen die Quellen
nicht an den Referenzpositionen zu liegen und können tatsächlich an anderen Positionen
liegen. In der Tat können
mehr als ein Detektor oder mehr als eine Referenzposition benutzt
werden, um die Genauigkeit der Vorrichtung zu verbessern, ohne das
Konzept der Anmelder zu stören.
Der Einfachheit halber setzt die folgende Beschreibung jedoch voraus,
dass die zu dem Gewebe zeigende Fläche der Quellen an der jeweiligen
Referenzposition für
jedes Abstandsbestimmungsmittel liegt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Anmelder umfassen die Quelle und die Detektoren eine optionale
Quelle und Detektor, und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
umfassen sie eine Lasertriangulierungsquelle und -detektor. Natürlich sind
andere Quellen/Detektorarten möglich,
von denen einige unten erwähnt
werden. In jedem Fall kann die Quellen/Detektoranordnung im Allgemeinen ein
Abstandsbestimmungsmittel genannt werden und wird als solches bezeichnet
werden.
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Ausgehend
von der Intensität,
Phase, Position oder anderen Eigenschaften der Messenergie, die zu
dem Detektor zurückkehrt,
und/oder der Pfadlänge
von der Quelle zu dem Detektor oder der Referenzposition können Werte
für den
Abstand zwischen jedem Abstandsbestimmungsmittel und einer Messstelle
auf einer der Gewebeflächen
bestimmt werden. Für
das erste Abstandsbestimmungsmittel 4 ist der erkannte
Abstandswert zwischen dem Abstandsbestimmungsmittel und einer ersten
Messstelle auf der Gewebefläche
mit l1 gekennzeichnet und für das zweite
Abstandsbestimmungsmittel 5 ist der erkannte Abstandswert
zwischen dem Abstandsbestimmungsmittel und einer zweiten Messstelle
auf der gegenüberliegenden
Gewebefläche
mit l2 gekennzeichnet, wie in 1 dargestellt.
Für eine
genaue Dickenbestimmung müssen
die erste und die zweite Messstelle an dem glei chen Punkt in der
x-y-Ebene liegen, jedoch an gegenüberliegenden Seiten des Gewebes (das
heißt,
die Messstellen werden durch die Gewebedicke getrennt).
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Wenngleich
die Anmelder die Verwendung einer integrierten Quellen-/Detektorstruktur
bevorzugen, können
die optionale Quelle und der Detektor auch getrennte Strukturen
im Inneren des Kopfes sein. Solch eine Ausführungsform wäre für die Erfindung
der Anmelder noch immer geeignet. Ferner berücksichtigen die Anmelder, dass
das oben beschriebene Abstandsbestimmungsmittel durch jegliches Abstandsmesssystem
ersetzt werden kann, das zu kontaktlosen Abstandsmessungen mit der
erforderlichen Genauigkeit fähig
ist. Neben den bereits erwähnten
laserbasierten Triangulierungsvorrichtungen umfassen andere mögliche Vorrichtungen
konfokale Bildgebungsverlagerungsvorrichtungen, auf Strahlung basierende,
nukleare, IR-, HF-, Radar- oder Mikrowellenvorrichtungen, auf Akustik
basierende Systeme, auf Pneumatik basierende Vorrichtungen oder
andere Systemarten.
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In
einer idealen statischen Situation werden die Trennung s zwischen
dem ersten und dem zweiten Abstandsbestimmungsmittel 4 und 5 aus 1 festgelegt,
was zu dem folgenden berechneten Wert der Gewebedicke t führt. t = s – (l1 +
l2), (1-1)
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Tatsächlich kann
die Trennung s aufgrund von Wärmeausdehnung
und Schwingungseffekten und bei einem System, in dem die Messvorrichtungen
das Gewebe zur Messung der Gesamtbreite durchqueren, aufgrund mechanischer
Unvollkommenheiten in der Struktur, auf welcher die Abtastköpfe befestigt
werden, leicht variieren. Um diese Unregelmäßigkeit der Trennung s zu korrigieren,
wird eine dynamische Messung des Abstands zwischen den Abtastköpfen durch
ein z-Sensormittel bereitgestellt, welche einen Abstand z zwischen
einer z-Sensorquelle/- detektor 6,
der in dem ersten Kopf 1 angeordnet ist, und einer z-Sensorreferenz 7 misst,
die in dem zweiten Kopf 2 angeordnet ist, wie in 1 dargestellt.
Eine Spule, die als der z-Richtungsquellen/-detektor benutzt wird,
und eine metallische Referenzplatte, die als die z-Sensorreferenz
benutzt wird, welche zur Messung von Wirbelströmen betrieben werden, bilden
zum Beispiel ein mögliches
Verfahren zum Bestimmen des Abstands z. Der Abstand z kann der z-Sensorabstandswert
genannt werden und auf ihn wird als solcher Bezug genommen werden.
Ein angemessener z-Sensor ist in US-Patentschrift Nr. 4,160,204
detailliert beschrieben. Obwohl aus Gründen der gewünschten
Klarheit des Konzepts nicht als solches in 1 dargestellt,
ist es für
die Umsetzung des z-Sensors
von großer
Bedeutung, dass die Quellen-/Detektorspule
auf einer Seite des Gewebes und die Referenzplatte auf der anderen
Seite des Gewebes um die Linie der einfallenden Lichtstrahlen (zylindrisch
symmetrisch) zentriert wird, wie in 2 dargestellt.
In 2 sind eine Quellen-/Detektorspule 10 und
eine Referenzplatte 12 beide von der Seite betrachtet.
Ohne eine zentrierte Geometrie können
relative Neigungen zwischen den zwei Köpfen zu großen Diskrepanzen zwischen der
wahren z-Trennung an der Position des Abstandsbestimmungsmittels und
der augenscheinlichen z-Tennung
führen,
die an der Position des z-Sensors gemessen wird. Interferenzen zwischen
dem einfallenden und gestreuten Licht in der zentrierten Geometrie
werden durch die Benutzung einer Spule mit einem ausreichenden Durchmesser
auf der Gewebeseite des z-Sensor-Quellen-/Detektors und, auf der
Gewebeseite der z-Sensor-Referenzplatte,
durch die Benutzung einer Referenzplatte mit einem Schlitzloch vermieden,
das groß genug
ist, um Interferenzen zu verhindern. Natürlich sind andere Verfahren
zur dynamischen Messung eines Abstands zwischen den Abtastköpfen möglich, wie
HF-Quellen- und
Empfängerspulen, Hallvorrichtungen
oder Magnetowiderstandsvorrichtungen, jedoch müssen die gewählten Verfahren
zu einer ausreichenden Genauigkeit in der Lage sein. Zum Beispiel
weist das oben beschriebene Wirbelstromverfahren eine Genauigkeit
von wesentlich weniger als einem Mikrometer auf, wenn die Temperatur der
Spule gut gesteuert wird.
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In
jedem Fall ist die Trennung s der zwei Abstandsbestimmungsmittel
in dem vereinfachten Diagramm aus 1 identisch
zu dem z-Sensorabstandswert z. Wie in 2 angezeigt,
existieren in der Praxis Versetzungen s1 und s2 zwischen dem Abstandsbestimmungsmittel
und dem z-Sensormittel, wobei die Trennung s gegeben ist durch: s = z + s1 +
s2 (1-2)
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Die
Versetzungen s1 und s2 sind
konstant, vorausgesetzt dass die z-Sensormittel bezüglich der Abstandsmessmittel
starr befestigt sind. Geringe Abweichungen von der Regelmäßigkeit
in diesen Versetzungen aufgrund zum Beispiel Wärmeausdehnung können unter
Verwendung von später
beschriebenen Mitteln korrigiert werden. Durch Kombinieren der Gleichungen
(1-1) und (1-2) ist es möglich,
die Dicke des Gewebes t im Hinblick auf die gemessenen Verschiebungen
l1, l2 und z wie
folgt auszudrücken: t = z – (l1 +
l2) + (s1 + s2) (1-3)
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Das
oben beschriebene System führt
ohne weitere Verbesserungen typischerweise zu Gewebedickenwerten
mit einer Genauigkeit, die zur Verwendung in Hochpräzisionsanwendungen
wie der Messung und Steuerung von dünnem Papier (zum Beispiel Zeitungspapier),
das auf einer Papiermaschine gefertigt wird, nicht ausreichend ist.
Um höhere
Leistungspegel zu erreichen, ist die Steuerung einer Anzahl kleinerer
und feinerer Effekte erforderlich. Erstens ist die Ausrichtung der
Abstandsbestimmungsmittel entscheidend, um exakt an der gewünschten Position
auf dem Gewebe zu messen. Die Messstelle für die zwei Abstandsbestimmungsmittel
muss direkt quer voneinander liegen, um zu verhindern, dass die Gewebeausrichtung
die Dickengenauigkeit wesentlich beeinflusst. Zweitens müssen eine
strikte Steuerung von Temperaturveränderungen oder eine Korrektur
für diese
Veränderungen
sowie für
andere langsame Veränderungen
wie leichte Abweichungen der Vorrichtungskalibrierungen in die Konzipierung aufgenommen
werden, da die meisten Systemkomponenten durch Temperatur induzierte
Variationen und Kalibrierungsabweichungen aufweisen, welche die
Genauigkeit der Dickenmessung beeinflussen, wenn diese nicht berücksichtigt
werden.
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Drittens
ist eine bessere Steuerung der Gewebeausrichtung bezüglich der
Vorrichtung zur Dickenmessung – Gewebestabilisierung – erforderlich, um
die Genauigkeitsanforderungen zu reduzieren, die von den Systemkomponenten
anderenfalls gestellt werden.
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Grundsätzlich sollte
es nicht notwendig sein, das Gewebe zu stabilisieren (das heißt, das
Gewebe in einer festen x-y-Ebene zu halten). Im Hinblick auf die
Gleichung (1-3) wird jegliche Veränderung von l1 aufgrund
einer Bewegung des Blattes in die z-Richtung von einer gleichen
und entgegengesetzten Veränderung
von l2 abgebrochen.
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Die
Gewebestabilisierung wird jedoch aus zwei Gründen für wichtig gehalten. Erstens
erfordert der oben erwähnte
exakte Abbruch bei dem gewünschten
Submikronenpegel eine außerordentlich hohe
Präzision
und Linearität
in dem Abstandsbestimmungsmittel. Das Reduzieren der erlaubten Gewebebewegung
in die z-Richtung kann diese Anforderungen auf einen durchführbaren
Pegel reduzieren. Zweitens, wie unten erläutert werden wird, kann eine
Winkelverlagerung in dem Gewebe, welche bewirkt, dass die Gewebefläche zu den
Abstandsbestimmungsmitteln nicht senkrecht ist, bedeutende Dickenfehler
verursachen, wenn die Abstandsbestimmungsmittel in der Ebene des
Blattes nicht richtig ausgerichtet sind. Eine geeignete Gewebestabilisierung
kann diese Winkelverlagerungen in dem Gewebe bedeutend reduzieren
und folglich die Ausrichtungsanforderungen der Abstandsbestimmungsmittel
reduzieren.
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Wie
beschrieben, ist bemerkt worden, dass eine fehlende Ausrichtung
der Messstellen bezüglich der
Abstandsbestimmungsmittel einen bedeutenden Fehler in dem Gewebedickenwert
hervorrufen kann. Um die Gründe
dafür zu
zeigen, wird Bezug auf 3 genommen. Die Kästchen,
die mit 20 und 21 beschriftet sind, repräsentieren
Paare von Abstandsbestimmungsmitteln. Das Gewebe ist mit 22 beschriftet
und bei einem Winkel von θ Grad
senkrecht zu der Fläche
der Abstandsbestimmungsmittel 20 und 21 dargestellt.
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Eine
Kästchen 21' mit gepunkteter
Linie, das teilweise mit dem Kästchen 21 überlappt,
zeigt die Bewegung des Abstandsbestimmungsmittels 21 und die
assoziierte Messstelle auf dem Gewebe an, die aufgrund äußerer Faktoren
nicht in der Kontrolle des Gestalters liegt. Der Abstand, um den
die Messstelle für
das Abstandsbestimmungsmittel 21 von der Messstelle für das Abstandsbestimmungsmittel 20 versetzt
ist, ist in 3 als ein Abstand m dargestellt. In
diesem Beispiel ist es wünschenswert,
dass die Messstellen für
beide Abstandsbestimmungsmittel an dem gleichen Punkt in der Ebene
des Gewebes liegen.
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Aus
dieser Figur kann der Fehler e in dem Gewebedickenwert im Hinblick
auf die Bewegung m des Abstandsbestimmungsmittels 21 bestimmt
werden als: e = m
tan (θ), (1-4)
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Wenn
zum Beispiel der Winkel des Gewebes θ ein Grad ist und die Bewegung
m des Abstandsbestimmungsmittels 21 in der gleichen Größenordnung liegt
wie der Gewebedickenwert, resultieren zwei bis drei Prozent Fehler
in dem Gewebedickenwert. Als ein mengenbezogeneres Beispiel kann
ein Ausrichtungsfehler m von einem Millimeter sogar dann zu einem
Dickenfehler von vielen Mikrometern führen, wenn der Gewebewinkel
nur wenige Zehntel Grad beträgt.
Wie diese groben Berechnungen zeigen, kann die Bewegung der Messstellen
zu wesentlichen Fehlern in dem Gewebedickenwert führen.
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Um
die Vorgabe bezüglich
der Messstellengenauigkeit zu reduzieren, kann das Gewebe sowohl in
seiner z-Richtungsbewegung als auch in seiner Winkelausrichtung
stabilisiert werden, so dass das Gewebe präzise senkrecht zu dem Abstandsbestimmungsmittel
gehalten wird. Um die kontaktlose Wesensart der Messvorrichtung
beizubehalten, wird ein Luftkissenstabilisator stark bevorzugt,
in dem die Stabilisierung ohne Berührung des Gewebes ausgeführt wird. 4a und 4b zeigen
die Elemente und den Vorgang eines Gewebestabilisators, der auf einem
Wirbel sich bewegender Luft basiert und hiernach als „Pressluftspanner" bezeichnet wird.
Der Stabilisator umfasst im Wesentlichen eine Spannplatte 30,
die in der Nähe
des zu stabilisierenden Gewebes 31 befestigt ist, und einen
kreisförmigen
Luftkanal 32 in der Spannplatte 30, der mit der
oberen Fläche übereinstimmt.
In 4a ist die Spannplatte in Seitenansicht dargestellt.
In 4b ist die Spannplatte von oben und mit entferntem
Gewebe dargestellt. Wenn Luft in den kreisförmigen Luftkanal 32 eingeführt wird
(das heißt,
um zu bewirken, dass die Luft entlang der Peripherie des Kanals
strömt,
wie durch Pfeil 34 in 4b dargestellt),
wird über
dem Kanal ein Feld mit geringem Druck erzeugt. Das Gewebe 31 wird
zu diesem Ring mit niedrigem Druck gezogen, wie in 4 dargestellt.
Die Luft kann zum Beispiel durch eine Reihe Luftöffnungen 35 in der Seite
des kreisförmigen
Luftkanals 32 eingeführt
werden, wie in 4b dargestellt. Gleichzeitig
wird eine Blase mit hohem Druck durch Aus treten von Luft aus dem
Kanal 32 in dem Bereich erzeugt, der benachbart zu dem
Kanal liegt. Dieser Bereich mit hohem Druck wirkt der Anziehungskraft
des Bereichs mit niedrigem Druck über dem Kanal entgegen. Durch Ausgleichen
dieser zwei Kräfte
kann das Gewebe in einer festen Position bezüglich des Kanals gehalten werden,
ohne dass irgendein Teil des Pressluftspanners in physischen Kontakt
mit dem Gewebe treten muss. Die Luft, die aus dem Luftspanner austritt,
säubert
ebenfalls den Bereich, durch den die Dickenmessungen vorgenommen
werden, was dazu beiträgt,
die optischen oder anderen empfindlichen Abschnitte der Vorrichtung
zur Dickenmessung staubfrei zu halten. In seiner bevorzugten Ausführung ist der
Pressluftspanner metallisch und dient neben dem Blattstabilisierungseffekt
als die Referenzplatte für den
z-Sensor.
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Wenngleich
der Luftspanner den Effekt der Gewebeverlagerung bedeutend reduziert,
existieren noch immer Gewebefalten oder andere Deformationen, die,
sofern die Messstellen der zwei Abstandsbestimmungsmittel nicht
derart gesteuert werden, dass sie übereinstimmen, unannehmbare
Fehler in eine Hochpräzisions-Dickenmessung
einführen.
Die folgende Beschreibung beschreibt ein Verfahren zum Beibehalten
oder Einstellen der Position der Abstandsbestimmungsmittel, so dass
eine genaue Dickenmessung sogar mit diesen Gewebebewegungen und
-deformationen vorgenommen werden kann.
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Das
bevorzugte Mittel zur Steuerung der x-y-Position der Anmelder besteht
aus zwei Teilen, einem Positionsabtastmittel zum Abtasten der relativen
Trennung der zwei Abstandsbestimmungsmittel in der Ebene des Gewebes
und einem Positionseinstellmittel zum Einstellen der Position der
Abstandsbestimmungsmittel basierend auf der Position oder dem Verlagerungswert
von dem Positionsabtastmittel. Jeder Teil wird nachstehend einzeln
beschrieben werden.
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Die
relative Bewegung (in der Ebene des Gewebes) der Messstellen für die zwei
Abstandsbestimmungsmittel kann entweder parallel zu der Bewegungsrichtung
des Gewebes (MD), senkrecht zu der Bewegung des Gewebes (CD) oder
eine Kombination der zwei sein. Das x-y-Positionssteuermittel (wobei
x und y zwei zueinander senkrechte Achsen in der Ebene des Gewebes
sind) trennen das Abtasten und Einstellen in zwei Komponenten auf;
eine x-Achsen-Komponente und eine y-Achsen-Komponente. Diese Achsen
können
mit den MD- und CD-Richtungen übereinstimmen
oder auch nicht. Ein Verlagerungswert, der die Bewegung entlang
jeder Achse angibt, sollte entweder direkt von einem Positionsabtastmittel
erhältlich
sein oder daraus berechnet werden können. Zum Beispiel kann das
Positionsabtastmittel einen absoluten Positions- oder Verlagerungswert ohne Berücksichtigung
der Richtung berechnen, jedoch sollte dieser Wert dann in x- und y-Komponentenwerte
aufteilbar sein. Wenngleich diese Anforderung nicht entscheidend
ist, ermöglicht
dies eine einfache Übertragung
der Positions- oder Verlagerungswerte des Positionsabtastmittels
in notwendige Steuersignale für
das Positionseinstellmittel.
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Ein
mögliches
Positionsabtastmittel umfasst ein Paar Halleffektvorrichtungen.
Die Halleffektvorrichtungen können
benutzt werden, um die Position der Abstandsbestimmungsmittel zueinander
abzutasten, wobei die Halleffektvorrichtung die x-Richtungsabweichungen
abtastet und die zweite Halleffektvorrichtung die y-Richtungsabweichungen
abtastet. (Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Vorrichtungen
zum Abtasten eines Magnetfeldes wie Magnetowiderstandsvorrichtungen
auf ähnliche
Weise benutzt werden könnten
wie unten für
die Halleffektvorrichtungen beschrieben. Die relative Position der
zwei Messstellen auf dem Gewebe kann dann aus der relativen Position
der Abstandsbestimmungsmittel gefolgert werden.
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5 stelle
eine bevorzugte Ausrichtung der Hall effektvorrichtungen zur genauen
Erkennung der relativen x- und y-Positionen der zwei Abstandsbestimmungsmittel
dar. In dieser Figur ist das Gewebe 48 von der Seite betrachtet
und zu der Ebene der Figur senkrecht und zu der Oberkante der Figur
parallel. Die x-Achse liegt in der Ebene des Gewebes und parallel
zu der Oberkante der Figur; die y-Achse liegt in der Ebene des Gewebes,
ist jedoch senkrecht zu der Ebene der Figur; und die z-Achse ist senkrecht
zu dem Gewebe. Zuerst wird die Halleffektvorrichtung 40 in
dem ersten Kopf 41 befestigt, der das erste Abstandsbestimmungsmittel 42 enthält. Ein
Referenzstabmagnet 43 ist in dem zweiten Kopf 44 befestigt und
ausgerichtet, um direkt quer von der ersten Halleffektvorrichtung 40 zu
liegen. Die empfindliche Richtung der ersten Halleffektvorrichtung 40 ist
präzise derart
ausgerichtet, dass sie nur zu der y-Komponente des Magnetfeldes an ihrer
Position empfindlich ist. Bei einer typischen Halleffektvorrichtung
wird die Ebene des Hallgenerators in der x-z-Ebene angeordnet, wie
in 5 dargestellt. Eine magnetische Abschirmung (aus
Klarheitsgründen
in 5 nicht dargestellt) und/oder eine vorsichtige
Anordnung im Inneren des Kopfes gewährleisten, dass die Halleffektvorrichtung 40 nicht
durch Magnetquellen beeinflusst wird, die nicht der Referenzmagnet 43 sind.
Der Referenzmagnet 43 ist mit seiner Symmetrieachse in der
z-Richtung ausgerichtet,
wie in 5 dargestellt. In dieser Anordnung registriert
die Halleffektvorrichtung 40 eine Nullausgabe (das heißt, eine
y-Komponente Null des Magnetfeldes), wenn die Vorrichtung in der
y-Richtung mit dem Referenzmagneten 43 präzise ausgerichtet
wird. Dies gilt unabhängig
davon, ob zwischen der Halleffektvorrichtung 40 und dem Referenzmagneten 43 eine
relative x-Verlagerung besteht, und gilt unabhängig von der relativen z-Trennung
der Halleffektvorrichtung und des Referenzmagneten. Die relative
y-Bewegung der Halleffektvorrichtung 40 bezüglich des
Referenzmagneten 43 führt
zu einer Nichtnullausgabe der Vorrichtung und zeigt die Ausgabe
je nach der Richtung der Bewegung der y-Achse als positiv oder negativ
an. Die Antwort bei der Bewegung entlang der y-Achse ist relativ unabhängig von
der relativen x-Position der Vorrichtung und dem Referenzmagneten.
Das heißt,
die Ausgabe der Vorrichtung wird vorherrschend durch die relative
Bewegung in der y-Richtung und unabhängig von irgendeiner Bewegung
in die x-Richtung bestimmt. Die in der Halleffektvorrichtung 40 registrierte
Feldstärke
fällt stark
ab, sobald die z-Trennung zwischen der Vorrichtung und dem Magneten
verändert
wird und manifestiert sich als eine Abnahme der Sensibilität der y-Abhängigkeit
der Vorrichtungsausgabe für
größere z-Trennungen. Es gilt
jedoch weiterhin, dass die erkannte Feldstärke nur dann null ist, wenn
die y-Ausrichtung perfekt ist, und folglich gewährleistet jegliche Positionseinstellvorrichtung,
welche die Halleffektvorrichtung 40 (oder gleichwertig den
Referenzmagneten 43) positioniert, um eine Nullausgabe
der Vorrichtung zu erzeugen, dass zwischen der Halleffektvorrichtung
und dem Referenzmagneten eine y-Fehlausrichtung Null besteht.
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In
einem zweiten Teil des oberen Abtastkopfes ist eine zweite Halleffektvorrichtung 45 direkt
quer von einem zweiten Stabmagneten 46 befestigt, der ein
zweites Abstandsbestimmungsmittel 47 enthält. Die
empfindliche Richtung der zweiten Halleffektvorrichtung 45 ist
präzise
derart ausgerichtet, dass sie nur bezüglich der x-Komponente des
Magnetfeldes an ihrer Position empfindlich ist. Bei einer typischen Halleffektvorrichtung
wird die Ebene des Hallgenerators in der y-z-Ebene angeordnet, wie
in 5 dargestellt, in der diese Vorrichtung seitlich
betrachtet ist. Die gleiche Reihe Erläuterungen und Beschreibungen
gilt für
diese zweite Halleffektvorrichtung und den Referenzmagneten wie
diejenigen der ersten Halleffektvorrichtung und des Referenzmagneten,
mit der Ausnahme, dass die zweite Halleffektvorrichtung und der
Referenzmagnet eine Ausgabe erzeugen, die eine relative Bewegung
in die x- Richtung
und nicht in die y-Richtung repräsentiert.
Wieder ist die Ausgabe der zweiten Halleffektvorrichtung nur dann
null, wenn sie mit ihrem Referenzmagneten präzise ausgerichtet ist, und
jegliche Positionseinstellvorrichtung, welche die Halleffektvorrichtung 45 (oder
gleichwertig den Referenzmagneten 46) positioniert, um
eine Nullausgabe der Vorrichtung zu erzeugen, gewährleistet,
dass zwischen der Halleffektvorrichtung und dem Referenzmagneten
eine x-Fehlausrichtung Null besteht.
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Natürlich sind
andere Ausrichtungen der Halleffektvorrichtung oder anderer Vorrichtungen,
die auf ein Magnetfeld empfindlich reagieren, im Hinblick auf die
Referenzmagneten möglich,
solange die Anordnung das Abtasten von Bewegungen nur einer Achse
in jedem Fall ermöglicht
oder das Entkoppeln der x- von der y-Bewegung auf andere Art und
Weise ermöglicht.
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Ausgehend
von der Hallspannung ist es möglich,
für sowohl
die x- als auch die y-Achse die relative Verlagerung der Halleffektvorrichtung
im Hinblick auf ihren Referenzmagneten zu berechnen. Wie oben erwähnt, ist
diese Spannung je nach dem Vorzeichen der Verlagerung weg von der
perfekten Ausrichtung der Halleffektvorrichtung und des Referenzmagneten
positiv oder negativ (in der oben beschriebenen, bevorzugten Ausführung) und
ist an dem Punkt der perfekten Ausrichtung null. Die relativen Verlagerungswerte
für x und
für y können entweder
in analoger Spannungsform oder in digitaler Form mittels einer Mikrosteuerung,
die den relativen Verlagerungswert in ein Steuersignal für das Positionseinstellmittel
umwandelt, zu dem Positionseinstellmittel geliefert werden.
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Die
Anmelder haben entdeckt, dass die Temperatureffekte von den Halleffektvorrichtungsmessungen
entkoppelt werden müssen,
wenn die Halleffektvorrichtungen in der Erfindung der Anmelder effektiv
benutzt werden sollen.
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Wenngleich
dies grundsätzlich
durch Messen der Temperatur und nachfolgendem Korrigieren oder Steuern
der Temperatur erreicht werden kann, haben die Anmelder ein genaueres
und zuverlässigeres
Verfahren zum Entkoppeln der Temperatur von der Hallspannung entwickelt.
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Um
die Hallspannung von der Temperatur zu entkoppeln, werden zwei Halleffektvorrichtungen,
deren Kalibrier- und
Temperatureigenschaften angeglichen wurden, Rücken an Rücken angeordnet, so dass die
Antwort auf ein auferlegtes Magnetfeld die gleiche Größe, jedoch
ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen wird, während die
durch Temperatur bewirkten Variationen die gleiche Größe und das
gleiche Vorzeichen aufweisen. Eine Anordnung der paarigen Halleffektvorrichtungen
ist in 6a dargestellt. Die empfindlichen
Richtungen für
diese zwei Vorrichtungen sind einander entgegengesetzt.
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Für die erste
Halleffektvorrichtung 50 ist die Hallspannung: Vh1' = Vh +
V1, wobei (1-
5) Vh die
Hallspannung ist, die bei dem gegebenen Magnetfeld und der Kalibriertemperatur
erwartet wird, und
V1 = die Spannungsverlagerung
ist, die durch einen Temperaturunterschied von der Kalibriertemperatur herbeigeführt wird.
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Für die zweite
Halleffektvorrichtung 51 ist die Hallspannung: Vh2' = –Vh + V1 (1-6)
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Wie
der Leser verstehen wird, wird die Beziehung der Hallspannung Vh zu dem Magnetfeld (oder gleichwertig, zu
der Verlagerung der Halleffektvorrichtung im Hinblick auf den Referenzmagneten 52) während eines
Kalibrier schrittes festgelegt oder bestimmt, in welchem ein bekanntes
Magnetfeld und eine bekannte Temperatur auf die Halleffektvorrichtung
angewendet wurden. Die zwei Vorrichtungen werden nachfolgend derart
angeglichen, dass sowohl bei Veränderungen
des Magnetfeldes als auch bei Veränderungen der Temperatur ein
identisches Verhalten bereitgestellt wird.
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Wenn
die erste und die zweite Hallspannung danach subtrahiert werden,
wie in einem Operationsverstärker 53,
kann eine korrigierte Hallspannung Vhc bestimmt
werden: Vhc = Vh2' – Vh1' =
2Vh, oder Vh = ½Vhc
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Auf
diese Weise ist die Messung der Hallspannung von der Temperatur
entkoppelt worden, wobei Vhc das Maß des Magnetfeldes
und somit die Veränderung
der Position der Halleffektvorrichtung 50 oder 51 unabhängig von
den Temperaturveränderungen
repräsentiert.
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Ein
Magnetowiderstandssensor, der als ein Magnetfeld-Richtungssensor konfiguriert ist, ist
eine zweite mögliche
Option zum Bestimmen der relativen Trennung in der x- und y-Richtung
der zwei Abstandsbestimmungsmittel. Eine vorgefertigte Vorrichtung
zur Benutzung als eine Positionsabtastvorrichtung wird von Honeywell,
Inc., in Minneapolis, Minnesota, unter der Stücknummer HMC1501 hergestellt.
Die Ausgabe, die von dieser Vorrichtung bereitgestellt wird, repräsentiert
den Winkel der magnetischen Feldlinien, die durch die Magnetowiderstandsvorrichtung
in der Ebene der Vorrichtung gehen. Sie ist bezüglich Komponenten des Feldes
außerhalb der
Ebene der Vorrichtung unempfindlich. Die Magnetowiderstands-Feldrichtungsvorrichtung
kann derart ausgerichtet werden, dass, wenn das Abstandsbestimmungsmittel
geeignet ausgerichtet ist, der Winkel, der von der Magnetowiderstandsvorrichtung erfasst
wird, null ist, und wenn sich das Abstandsbestimmungsmittel falsch
ausrichtet, der Winkel, der von der Magnetowiderstands-Feldrichtungsvorrichtung
gesehen wird, nicht null wird.
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6b stellt die Ausrichtung der Magnetowiderstands-Feldrichtungsvorrichtung
in dem Magnetfeld und die magnetischen Feldlinien und ihre jeweiligen
Winkel an mehreren Stellen dar. Die Anordnung des Referenzmagneten
ist der Anordnung des Magneten für
die Halleffektvorrichtung ähnlich.
Jedoch im Gegensatz zu der Halleffektvorrichtung ist die Magnetowiderstands-Feldrichtungsvorrichtung
bezüglich des
Magnetfeldes in der Ebene des Chips empfindlich und muss deshalb
dementsprechend angeordnet werden. Folglich wird die Magnetowiderstands-Feldrichtungsvorrichtung 57 in 6b derart angeordnet, dass sie die Magnetfeldrichtung
in der x-z-Ebene misst und somit die Positionsveränderungen
in der x-Richtung misst. Wenn die Magnetowiderstandsvorrichtung
mit dem Referenzmagneten 58 perfekt ausgerichtet ist, beträgt der registrierte
Winkel null Grad. Wenn die Magnetowiderstandsvorrichtung in der x-Richtung von dem
Referenzmagneten versetzt ist, wird der Winkel der magnetischen
Feldlinien registriert, und diese Winkel können direkt mit der x-Fehlausrichtung
in Beziehung gesetzt werden.
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Die
Ausgabe, die von der Magnetowiderstandsvorrichtung bereitgestellt
wird, zeigt die Position des Abstandsbestimmungsmittels bezüglich einer Referenzposition
wie der ausgerichteten Position des Abstandsbestimmungsmittels an.
Dieser relative Positionswert kann dann mittels analoger oder digitaler Mittel
in ein Steuersignal für
das Positionseinstellmittel übertragen
werden.
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Wenngleich
die Anmelder zwei Verfahren zum Messen der Position der zwei Abstandsbestimmungsmittel
zueinander identifiziert haben, sind viele andere Verfahren ver fügbar. Die
vorstehenden wurden lediglich als veranschaulichende Beispiele bereitgestellt.
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Es
gibt viele mögliche
Verfahren zum Einstellen der relativen Messstellen der zwei Abstandsbestimmungsmittel,
sobald das Positionsabtastmittel eine Fehlausrichtung erkannt hat.
Die Anmelder beschreiben nur ein bevorzugtes System, um sich kurz zu
fassen. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Arten beweglicher
Stützglieder
und Motorantriebsschemata möglich
sind, welche (für
die beweglichen Stützglieder)
Rollenlager, lineare Lagerbüchsen, Drehstrukturen,
Gewindespindeln, einstellbare Lufthohlräume oder andere Verfahren,
welche dem Leser einfallen können,
und (für
die Motorantriebsschemata) verschiedene alternative Arten elektrischer oder
pneumatischer Motoren umfassen.
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In
jedem Fall halten die Anmelder ein bewegliches Stützsystem
für die
Abstandsbestimmungsmittel für
besonders erfolgreich, das aus elastischen Leisten- oder Streifengliedern
(das heißt,
beweglichen Stützgliedern)
besteht, um ein Abstandsbestimmungsmittel in einem der Sensorköpfe zu befestigen, die
mit kontaktlosen magnetischen Ablenkspulen („Schwingspulen") zur Positionseinstellung
des Abstandsbestimmungsmittels in der x-y-Ebene verbunden sind (hier
sind x und y Achsen in einer Ebene, die zu der Ebene des Gewebes
parallel ist). In dem bevorzugten System der Anmelder ist das zweite
Abstandsbestimmungsmittel in dem verbleibenden Kopf fest befestigt
und das erste Abstandsbestimmungsmittel ist ausgerichtet, um sch
an das ortsfeste anzupassen. Es ist klar, dass andere Positionseinstellschemata
möglich
sind, zum Beispiel eines, in dem ein Kopf befestigt ist, um in der
x-Richtung eingestellt zu werden, und der andere Kopf in der y-Richtung. Das
wesentliche Merkmal ist, dass die Ablenkmittel eine ausreichende
Kraft und Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen, um die Abstandsbestimmungsmittel über den
erforderlichen Einstellungsbereich (der sowohl in der der x- als
auch in der y-Richtung typischerweise bis zu 2 mm betragen kann)
und über
den erforderlichen Frequenzbereich (der bis zu 10 Hz für Schwingungen
in einem Abtastsystem betragen kann) genau einzustellen.
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Eine
mögliche
Anordnung des gerade beschriebenen Systems ist in 7 dargestellt.
Der äußere Befestigungsrahmen 60 ist
an dem festen Rahmen 61 mittels erster und zweiter elastischer
Leisten- oder Streifenglieder (das heißt, Blattfedern) 62 und 63 befestigt,
so dass der äußere Sensorbefestigungsrahmen 60 im
Allgemeinen senkrecht zu dem Rahmen 61 (die x-Richtung
aus 7) bewegt werden kann. Der feste Rahmen 61 ist
an einem Gesamtkopfgehäuse
starr befestigt. Die Blattfederglieder 62 und 63 können Metall,
Kunststoff oder andere Materialien oder eine Kombination von Materialen umfassen,
die in jeder Richtung steif sind, außer dass sie zu ihren Flächen im
Allgemeinen senkrecht sind. Die Leisten oder Streifen müssen breit
genug sein, um dem Biegen unter dem Gewicht der Komponenten, die
an ihnen befestigt sind, standzuhalten. Die Materialwahl (wie ein
Federstahl) und die physische Form für die Leisten oder Streifen
muss auf eine Art und Weise getroffen werden, welche sie sicher
innerhalb ihrer Ermüdungsgrenze
anordnet und eine unendliche Anzahl von Biegevorgängen über den
erforderlichen Verlagerungsbereich störungsfrei ermöglicht.
Ein innerer Sensorbefestigungsrahmen 64 wird an dem äußeren Sensorbefestigungsrahmen 60 durch
dritte und vierte elastische Streifenglieder 65 und 66 befestigt.
Die elastischen Streifenglieder 65 und 66 werden
im Allgemeinen senkrecht zu den elastischen Streifengliedern 62 und 63 angeordnet, so
dass die Ablenkung des inneren Sensorbefestigungsrahmens 64 in
die y-Richtungen aus 7 stattfindet, die zu der Ablenkung
des äußeren Sensorbefestigungsrahmens 60 senkrecht
ist. Das Abstandsbestimmungsmittel wird innerhalb des Lochs durch
den Körper
des inneren Sensorbefestigungsrahmens 64 befestigt, wie
in 7 dargestellt. Je nach der Größe der verschiedenen Befestigungsrahmenglieder
kann eine Form von Stabilisierungsmittel für die Rahmenglieder erforderlich
sein. Zum Beispiel verhindern Leitpfosten 67 bis 70 jegliche
Drehbewegung des inneren Sensorbefestigungsrahmens 64 bezüglich des äußeren Sensorbefestigungsrahmens 60 und
jegliche Drehbewegung des äußeren Sensorbefestigungsrahmens 60 bezüglich des
festen Rahmens 61.
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Während des
Betriebs bewirkt eine Kraft, die auf den Sensorbefestigungsrahmen 60 in
die positive oder negative x-Richtung aus 7 ausgeübt wird, die
Verlagerung des äußeren Sensorbefestigungsrahmens 60 in
die positive oder negative x-Richtung. Es wird darauf hingewiesen,
dass sich der innere Sensorbefestigungsrahmen 64 in Übereinstimmung mit
dem äußeren Sensorbefestigungsrahmen 60 bewegt,
da sich diese zwei Glieder in der x-Richtung nicht zueinander bewegen
können.
Gleichermaßen bewirkt
eine Kraft, die in der positiven oder negativen y-Richtung auf den
inneren Sensorbefestigungsrahmen 64 ausgeübt wird,
die Verlagerung des inneren Sensorbefestigungsrahmens in der positiven
oder negativen y-Richtung, wobei in der x-Richtung keine begleitende
Bewegung existiert.
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Die
Kraft, die angewendet wird, um die Verlagerung des inneren oder äußeren Sensorbefestigungsrahmens
zu bewirken, kann durch viele Arten Linearstellglieder bereitgestellt
werden. Das Linearstellgliedverfahren, das von den Anwendern bevorzugt
wird, benutzt zum Beispiel magnetische Ablenkspulen, die Schwingspulen
genannt oder als solche bezeichnet werden können. Diese Vorrichtungen stellen
unter Benutzung einer ringförmigen,
stromführenden
Spule, die im Inneren einer magnetischen Anordnung frei schwebt,
die ein radiales Magnetfeld bereitstellt, eine reibungslose Ein-Achsenbewegung bereit.
Das Variieren der Größe oder
der Richtung des Stroms zu der Spule variiert demgemäß die Größe oder
Richtung der Kraft. In 7 ist das Linear stellglied,
das für
die y-Ablenkung benutzt wird, im Allgemeinen mit 71 beschriftet,
und das Linearstellglied, das für
die x-Ablenkungen benutzt wird, ist im Allgemeinen mit 72 beschriftet.
Für das
y-Ablenkungslinearstellglied wird eine Hälfte der Spulen/Magnetvorrichtung
auf dem inneren Sensorbefestigungsrahmen befestigt und die andere
Hälfte
auf dem äußeren Sensorbefestigungsrahmen.
Gleichermaßen
wird für
das x-Linearstellglied
eine Hälfte
der Spulen/Magnetvorrichtung auf dem äußeren Sensorbefestigungsrahmen
befestigt und die andere Hälfte auf
dem festen Rahmen 61.
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Ein
erstes und ein zweites Positionsabtastmittel werden, wie vorher
beschrieben, in Öffnungen 73 und 74 des
inneren Sensorbefestigungsrahmens 64 befestigt und stellen
die notwendige Positionsinformation bereit, welche zu dem Positionseinstellmittel
zurückgeliefert
werden soll. Das Positionsabtastmittel sollte wenigstens derart
positioniert werden, dass der Referenzmagnet eines Positionsabtastmittels
das andere Positionsabtastmittel nicht beeinflusst. Falls gewünscht, kann
das x-Richtungs-Positionsabtastmittel alternativ in dem äußeren Sensorbefestigungsrahmen 60 und
nicht in dem inneren Sensorbefestigungsrahmen befestigt werden.
Eine einfache Servosteuerung oder Mikrosteuerung kann benutzt werden,
um die Fehlausrichtungssignale von dem Positionsabtastmittel zu
dem Positionseinstellmittel zu übertragen.
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Wie
erwähnt,
besteht der Zweck des Positionseinstellmittels darin, die Messstellen
der zwei Abstandsbestimmungsmittel auf dem Gewebe präzise miteinander
ausgerichtet zu halten. Dies erfordert sowohl ein erfolgreiches
Positionseinstellmittel wie das oben beschriebene als auch die Fähigkeit
zur anfänglichen
Ausrichtung der Messstellen zu den gewünschten Positionen, die danach
von dem Positionseinstellmittel gesteuert werden. In dem bevorzugten
Verfahren, das von den Anmeldern entwickelt worden ist, wird diese
anfängliche
Ausrichtung durch Benutzung von positionsempfindlichen Detektoren ausgeführt, die
in den Messspalt eingesetzt werden können, wenn das Gewebe nicht
vorhanden ist. Wie in 8 dargestellt, sind zwei positionsempfindliche Detektoren 80 und 81 (empfindlich
auf Licht der gewünschten
Wellenlänge
für den
Fall von optischen Abstandsbestimmungsmitteln) starr und Rücken an Rücken befestigt,
so dass der obere Detektor die x- und y-Positionen der Messstelle für das obere
Abstandsbestimmungsmittel misst und der untere Detektor die x- und y-Positionen
der Messstelle für
das untere Abstandsbestimmungsmittel misst. Vor der Benutzung in
dem System zur Dickenmessung werden die positionsempfindlichen Detektoren
von oben und von unten zwei Strahlen ausgesetzt, die durch andere
Mittel als präzise
kolinear festgelegt wurden. Diese kolineare Vorrichtung könnte zum
Beispiel aus präzise
ausgerichteten Glasfaserkabeln bestehen, die von oben und unten
befestigt werden. Die Ablesungen auf den positionsempfindlichen
Detektoren werden in dieser kolinearen Vorrichtung für obere und
untere Detektoren und sowohl für
die x- als auch die y-Richtung vorgenommen. Somit ist es bekannt, dass,
wenn der obere und der untere positionsempfindliche Detektor die
gleichen Ablesungen aufweisen wie diejenigen, die in der kolinearen
Vorrichtung bestimmt werden, die Strahlung, die von oben und von
unten auf die Detektoren einwirkt, in sowohl der x- als auch der
y-Richtung ausgerichtet ist. Die positionsempfindliche Detektorenanordnung
wird dann an einer beweglichen Vorrichtung befestigt, welche eine
präzise
Einstellung in der x- und y-Richtung der positionsempfindlichen
Detektoranordnung ermöglicht,
wenn diese in dem Messspalt des Systems zur Dickenmessung angeordnet
wird. Die positionsempfindliche Detektoranordnung wird dann in den
Messspalt eingesetzt, wenn das Gewebe nicht vorhanden ist, und die
bewegliche Vorrichtung wird in x und y eingestellt, bis der positionsempfindliche
Detektor, der dem unteren Kopf mit dem festen Abstandsbe stimmungsmittel
(in 8 mit 82 gekennzeichnet) gegenüberliegt,
für x und
y exakt die gleiche Ablesung ergibt wie diejenige zu dem Zeitpunkt,
als er in der kolinearen Vorrichtung befestigt worden ist. Ohne weitere
Positionseinstellung zu der positionsempfindlichen Detektorvorrichtung
werden die Steuerpunkte für
sowohl das x- als auch das y-Positionseinstellmittel in dem gegenüberliegenden
Kopf 83 nun variiert, bis der positionsempfindliche Detektor,
der dem beweglichen Abstandsbestimmungsmittel gegenüberliegt,
für x und
y exakt die gleiche Ablesung ergibt wie diejenige zu dem Zeitpunkt,
als er in der kolinearen Vorrichtung befestigt worden ist. Da die
positionsempfindlichen Detektoren nun für beide Seiten und für sowohl
x als auch y das Gleiche ablesen wie in der kolinearen Vorrichtung,
kann sichergestellt werden, dass die Messstellen, die von den zwei
Abstandsbestimmungsmitteln erzeugt werden, auf dem Gewebe miteinander übereinstimmen.
Das Positionseinstellmittel gewährleistet
nun, dass diese Ausrichtung wirkungsvoll bleibt, selbst wenn eine
relative Bewegung (zum Beispiel aufgrund des Abtastens der Messköpfe über das
Gewebe) zwischen den zwei Köpfen
besteht.
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Aufgrund
der Geschwindigkeit und Festigkeit des Positionseinstellmittels,
die erforderlich sind, um eine präzise Ausrichtung der Abstandsbestimmungsmittel
inmitten von beträchtlichen,
schnellen Positionierungsfehlern zwischen den Köpfen (insbesondere, wenn die
Köpfe die
Abtastung quer über
ein sich bewegendes Gewebe durchführen), muss aufgrund verschiedener
Fehlerbedingungen, die ansonsten die Abstandsbestimmungsmittel oder
die Positionsabtast- und Positionseinstellmittel beschädigen, ein Schutz
in das Positionseinstellmittel eingebaut werden. Diese Fehlerbedingungen
weisen vier Grundarten auf: (1) Positionsfehler in entweder x oder
y, welche den geplanten Bereich des Positionseinstellmittels überschreiten
und welche deshalb eine übermäßige Kraft
auf das Positionsein stellmittel ausüben können; (2) Überstromfehler, bei welchen
ein übermäßiger Strom
durch die Schwingspulen strömt
(gewöhnlich
aufgrund eines unangemessenen Betriebszustandes wie eines übermäßigen Positionsfehlers; (3) Übertemperaturfehler,
bei welchen die sicheren Betriebstemperaturen der Schwingspulen überschritten
werden; und (4) Hochfrequenz-Schwingungsbedingungen, die aus einer
unangemessenen Einstellung oder Funktion des Positionseinstellmittels
entstehen.
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Wenngleich
die obigen Fehlerarten (1) bis (3) direkt durch Ablesen der angemessenen
Position, des Stroms und der Temperatursignale und durch Deaktivieren
des Positionseinstellmittels (entweder durch analoge oder digitale
Signalbehandlungsverfahren) behandelt werden können, wenn sich eine oder mehrere
dieser Bedingungen in einem nicht akzeptablen Bereich befindet,
erfordert die Schwingungsfehlerart (4) einen komplexeren Ansatz.
Die Anmelder haben eine Technik entwickelt, welche unerwünschte Schwingungsfehler
erkennt und das Positionseinstellmittel gegebenenfalls deaktiviert
und gleichzeitig Schwingungen (aufgrund zum Beispiel von normalen
Schwingungen im Betriebsverlauf) ignoriert, deren Größe und/oder
Frequenz in einem Bereich liegen, der nicht zu Beschädigungen
führen kann.
Die bevorzugte Technik wendet eine Mikrosteuerung an, welche das
x- oder y-Verlagerungssignal
von dem Positionsmessmittel bei einer gegebenen Frequenz f lesen
kann. Wenn das Verlagerungssignal das Gefälle verändert hat (zum Beispiel die Ablesezahl
n größer ist
als die Ablesezahl (n – 1),
jedoch die Ablesezahl (n – 1)
geringer war als die Ablesezahl (n – 2), wird angenommen, dass
ein Umkehrsignal aufgetreten ist. Wenn die absolute Differenz zwischen
den Ablesungen n und (n – 1)
ferner größer als
ein angegebener Schwellenwert ist, dann wird die Umkehrung von einem
Umkehrzähler
gezählt;
wenn sie geringer als der Schwellenwert ist, wird die Umkehrung
nicht gezählt.
Die Zählung
der Umkehrungen wird für
eine angegebene Zeitlänge durchgeführt (oder
wird über mehrere
solcher Intervalle gemittelt) und die resultierende Zählung (oder Durchschnittszählung) der
Umkehrungen wird mit einem spezifischen Umkehrzähler-Grenzwert verglichen. Wenn der Umkehrgrenzwert überschritten wird,
wird bestimmt, dass ein nicht akzeptabler Schwingungspegel auftritt,
wobei das Positionseinstellmittel deaktiviert werden kann, um eine
Beschädigung
des Systems zu verhindern. Eine angemessene Wahl der Messfrequenz,
des Umkehrschwellenwertes und der Umkehrzählergrenze führt zu der gewünschten Überwachung
des Positionseinstellmittels. Zum Beispiel werden Niederfrequenz-Positionsvariationen
(Niederfrequenz in dem Sinne, dass sie langsamer ist als die Frequenz,
bei der die Positionssignale gelesen werden), welche an dem System Schäden verursachen
können,
werden bei dieser Technik ignoriert, weil sich aufeinander folgende
Positionswerte nicht genug voneinander unterscheiden, um den Umkehrschwellenwert
zu überschreiten,
sofern ihre Amplituden nicht äußerst groß sind.
Andererseits weisen mittlere oder höhere Frequenzschwingungen eine
ausreichende Punkt-zu-Punkt-Veränderlichkeit
auf, um diesen Schwellenwert zu überschreiten
(vorausgesetzt dass der Schwellenwert angemessen eingestellt ist),
und die Erkennung dieses Zustands kann benutzt werden, um das Positionseinstellmittel
zu deaktivieren. Natürlich überschreiten
Schwingungen mit Amplituden, die kleiner als der Schwellenwert sind,
ungeachtet der Frequenz niemals den Schwellenwert. Folglich können Schwingungen,
deren Frequenz und Amplitude in einem Bereich liegen, der Beschädigungen an
dem System verursachen könnte,
automatisch erkannt und behandelt werden, wohingegen Schwingungen,
die zu klein oder langsam sind, ignoriert werden.
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Um
optimale Ergebnisse und die beste Stärkengenauigkeit zu erreichen,
werden zwei weitere Korrekturtechniken auf die Abstandsbestimmungsmittel
angewendet. Wenngleich die folgenden Komponenten größtenteils
ein Tem peraturkompensationsmittel umfassen, können mit Hilfe der folgenden Techniken
auch andere Umgebungsfaktoren und kleine Kalibrierungsabweichungen
korrigiert werden. Die Anmelder weisen ferner darauf hin, dass dem
Leser andere Temperaturkompensationsmittel sowie andere Kompensations-
und Offline-Kalibrierungsmittel bekannt sind und die Wahl dieser
Techniken in vielen Fällen
von den gewählten
Systemkomponenten für
die Abstandsbestimmungsmittel, das Positionsabtastmittel, das Positionseinstellmittel
und das z-Sensormittel abhängt.
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Zwei
bevorzugte Kompensations- und Kalibrierungstechniken werden nun
beschrieben. Erstens kann der z-Sensor einer wesentlichen Temperaturvariation
unterliegen, insbesondere in Fällen,
bei denen die Vorrichtung zur Dickenmessung ein heißes Gewebe
abtastet. Die Effekte dieser Temperaturwechsel können durch Steuern der Temperatur
sowohl des elektronischen Schaltkreises des z-Sensors (der von der
z-Sensor-Quelle/-Detektorspule entfernt angeordnet sein kann) mittels
Steuern der Temperatur des Kopfgehäuses, an dem der Schaltkreis
angeordnet ist, als auch der z-Sensor-Quelle/-Detektorspule selbst
minimiert werden. In dem bevorzugten Verfahren zum Steuern der Temperatur
der Quelle/Detektorspule wird die Spule in einem ringförmigen Kanal eingeschlossen,
durch den temperaturgesteuerte Luft zirkuliert.
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Zweitens
können
langsame, durch Temperatur induzierte Abweichungen in der Vorrichtung
zur Dickenmessung oder langsame Abweichungen aufgrund der Alterung
bei den Kalibrierungen entweder des z-Sensors oder der Abstandsbestimmungsmittel Fehler
bei der Dickenbestimmung verursachen, die von den bislang beschriebenen
Temperaturkompensationsverfahren nicht korrigiert werden. Vielmehr kann
eine direkte Messung der Variation bei der Dickenablesung aufgrund
dieser sich langsam verändernden
Effekte durchgeführt
werden, um solche Effekte komplizierter oder unbekannter Herkunft
im Allgemeinen zu korrigieren. Um diese relativ langsamen Abweichungen
zu korrigieren, kann ein Standard in dem Messpfad befestigt werden,
welcher ermöglicht, dass
die Vorrichtung zur Dickenmessung die Veränderungen der augenscheinlichen
Dicke dieses Standards bestimmt. Bei der Abtastmessung quer über ein
Gewebe kann dieser Standard immer dann abgelesen werden, wenn die
Abtastköpfe über das
Blatt fahren. Bei einem ortsfesten Messsystem kann der Standard
regelmäßig in den
Messpfad eingeführt werden,
wenn das Gewebe nicht vorhanden ist, oder das Messsystem könnte zeitweise
von dem Gewebe entfernt werden, um zu ermöglichen, dass der Standard
eingesetzt wird. Der Standard kann zum Beispiel aus einer Kalibrierprobe
mit einer bekannten und beständigen
Dicke bestehen, welche am Anfang oder am Ende des Abtastpfades angeordnet
wird. Wenn die Abtastköpfe
diese Kalibrierprobe passieren, misst die Vorrichtung zur Dickenmessung
die Dicke der Kalibrierprobe und vergleicht den gemessenen Wert
mit der bekannten Dicke der Probe. Jegliche Diskrepanz wird dann
als eine Versetzung behandelt, die von der nachfolgenden Messung
des Gewebeprodukts subtrahiert werden muss. Natürlich muss die Kalibrierprobe
stabile physikalische Eigenschaften aufweisen, um die gewünschte Genauigkeit der
Dickenmessung zu verbessern, da jegliche Variation der Probeneigenschaften
zu einer ungeeigneten Korrektur der Dickenmessungen führen kann. Materialien
wie bestimmte Keramiken sind für
diesen Zweck geeignet.
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Die
Probe kann aus einem permanent befestigten Glied bestehen, das in
dem Pfad des Abtastkopfes liegt, wenn sich dieser von dem Blatt
wegbewegt, oder kann aus einem beweglichen Glied bestehen, das vorzugsweise
mit der Vorrichtung zur Dickenmessung selbst einstückig verbunden
ist und in dem Pfad des Abtastkopfes positioniert wird, wenn eine
Kalibrierung gewünscht
wird.
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Da
die hier offenbarte Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden
kann, ohne den Schutzbe reich der Ansprüche zu verlassen, wobei einige
der Formen beschrieben worden sind, sind die hier beschriebenen
Ausführungsformen
folglich in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht als einschränkend zu
verstehen. Wenngleich die Anmelder zum Beispiel diese Erfindung
größtenteils
mit Bezug auf ein Abtastsystem beschrieben haben, ist sie auch für Systeme
geeignet, die keine Abtastsysteme sind und bei denen eine Dickenmessung
gewünscht
wird. Die Dickenmessung könnte
an einem einzigen Punkt durchgeführt
werden oder mehrere Vorrichtungen zur Dickenmessung der Anmelder
könnten
quer über
einem zu messenden Gewebe befestigt werden. Die gewählte Anzahl
basiert auf der gewünschten
Auflösung
der Dickenmessungen auf dem Gewebe. Als weiteres Beispiel, wenngleich
sich einige der beschriebenen Ausführungsformen spezifisch auf
Papier beziehen, können
mit dem System der Anmelder auch andere Blattmaterialien wie Gewebe,
Kunststoff, Kautschuk usw. gemessen werden. Der Schutzbereich der
Erfindung ist durch die beigefügten
Ansprüche
definiert.