FI62419C - Maetare foer att maeta spaenningen av membraner eller pappersband utan kontakt - Google Patents

Description

rBl KUMLUTUSjULKAISU ,oyMQ

JHf lBJ (11) UTLÄGGNINOSSKRIFT 62419 c Paten tti raytnno tty 10 12 1922

Patent aj c ri d el a t ^ T ^ (51) K».ik?/i«t-a.3 G 01 L 5/10 SUOMI—FINLAND pi) 790371 (22) H«k#mi«pilvt — An*6knlng«dif 05.02.79 * * (23) AlkupUvt — Glkl|h*t$dag 05.02.79 (11) Tttlhit |ulkto*k*l — Bllvlt offantllg 06.08.80

Patantti- la rekisterihallitut ..» ___________ . . .....

_ . . . . . (44) Nlhtivikslptnon Jt kuuL|utk»i*un pvm. —

Pitait· och refittarityrelaan AmMcan uttajd och uti.ikrlftvn publksrsd 31.08.82 (32)(33)(31) Pyr^««r «tu^kauf—Bvfird priorltst (71)(72) Mauri Veikko Luukkala, Haukilahdenranta 23B 5> 02170 Espoo 17, Suomi-Finland(FI) (5*0 Kalvon, membraanin tax paperirainan kontaktiton kireysmittari -Matare för att mätä spänningen av membraner eller pappersband utan kontakt

Paino- tai oaperikoneissa on paperirainan kireyden mittaus varsin tärkeä koneen toiminnan säädössä. Rainan katkokset ovat eräs tärkeimpiä epävarmuustekijöitä painokoneen toiminnassa. Rainan katkoksista johtuu, että esim. sanomalehtiä tai vastaavaa painettaessa ei voida antaa tarkkaa aikaa, milloin painatus on valmis, vaan ainoastaan todennäköinen valmistusaika melko suurine tole-ransseineen. Mikäli painokoneen toimintaa tältä osin voitaisiin parantaa, voitaisiin myös toleranssit olennaisesti poistaa. Rainan katkeamiseen muutenkin ymmärrettävästi liittyy taloudellisia menetyksiä monessa muodossa. Näin myös paperi- ja päällystysko-neissa.

Nykyään rainan kireyttä mitataan pääasiassa kahdella menetelmällä. Toinen menetelmä on se, että telojen välistä vetovoimaa mitataan erilaisilla voima-antureilla (esim venymäliuskat) ja toinen on se, että paperirainaan puhalletaan paineilmalla pieni kuoppa ja kuopan syvyys mitataan pneumaattisesti. Kuonan syvyys on kireyden mitta. Menetelmä, joka mittaa kahden telan välistä vetovoimaa, on entuudestaan tunnettu menetelmä, mutta sillä on tiettyjä puutteita.

2 6241 9 mm. sen herkkyys ei ole riittävän hyvä. lisäksi sen asennus on hankalaa, sillä osa telajärjestelmästä joudutaan purkamaan sekä asentamaan uudentyyppiset akselintuet antureineen. Tainepuhal-lusmenetelinä, jota myös jossain yhteydessä on käytetty kireyden mittavina, on epätarkka ja sen anturi koskettaa hei nosti oaperia, mikä ei ole toivottavaa.

Iässä esillä olevassa keksinnössä paperin jännityksen mittaaminen tapahtuu ilman mekaanista kontaktia sekä liikkuvasta että maikallaan olevasta paperlaineesta elektronisesti ääni-impulsseja käyttäen. Paperiin synnytetään ulkoisesti membraaniaalto-oulssi, joka lähtee etenemään vastakkaisiin suuntiin maksimijännityksen suuntaan. Tämän membraaniaallon kulkuaika tietyllä matkalla on suoraan kireyden funktio, mikäli paperin pintanaino tunnetaan.

Menetelmän periaate saadaan havainnolliseksi ajattelemalla viulun kieltä; mitä kireämmällä viulun kieli on, sitä korkeammalla taajuudella se värähtelee. Mitä kireämmällä paperiraina on, sitä none ämmin membraaniaaltopulssi siinä etenee. On huomattava, että viulun kieleen tai vastaavaan nähden on olemassa eräs olennainen ero: viulun kielen tai esim. rummun kalvon värähtelyä tutkittaes sa tarkastellaan tiettyä seisovaa aaltoa ja seisovan aallon moodi struktuuria, joka on usein varsin monimutkainen, riippuen reunaehdoista, viulun kielen tai rummun kalvon dimensioista, kiin-nitystavasta, jne., kun taas esillä olevassa menetelmässä reuna-kohdilla tai rainan pituudella ei ole mitään merkitystä. Rainaa oi myös tarvitse koskettaa, vaan koko mittaus tapahtuu ilmasta käsin.

1-yt esillä oleva laite perustuu sinänsä tunnettuun, jännityksen alaisen kalvon tms. liikeyhtälöön, x.

Tässä yhtälössä y on poikkeama kalvoa vastaan kohtisuoraan, x on jännityksen suuntainen koordinaattiakseli, T jännitys (Newton/m), f uintapaino ja t aika. Tästä aaltoyhtälöstä saadaan "häiriön" tai poikkeaman etenemisnopeudeksi x-koordinaatin suuntaan v=»^? 5 62419

Tarkkaan ottaen tämä yhtälö pitää paikkansa vain tyhjiössä, sillä ilma, joka ympäröi membraania, kuormittaa kalvoa hieman muuttaen aallon etenemisnopeutta, tehden sen jaksoluvusta riippuvaiseksi {dispersiiviseksi). Käytännössä dispersio on kuitenkin o-soittautunut pieneksi niillä taajuusalueilla, joita tässä yhteydessä tullaan käyttämään. Tehdyissä kokeissa on edelleen osoittautunut, että raembraaniaallon noneus paperissa on pieneraoi kuin äänen nopeus ilmassa (eli 340 m/s). Tästä johtuu se seikka, että etenevä membraaniaalto ei säteile ilmaan, ts. sitä ei kuule, vaikka membraaniaallon jaksoluku olisi vaikkapa 400 Hz eli korvan kuuloalueella. Membraaniaalto, silloin kun sen nopeus on nienemoi kuin äänen nopeus ilmassa, synnyttää kuitenkin lähiympäristössä nopeasti vaimenevan painepulssin, joka voidaan havaita esim. mikrofoneilla. Toisin sanoen, membraaniaalloilla ei ole ns. kauko-kenttää, vaan pelkkä lähikenttä, joka voidaan havaita riittävän lähelle sijoitetuilla mikrofoneilla.

Suoritettaessa käytännön tehdaskokeitä, on osoittautunut, että kyseeseen tulevilla paperipaksuuksilla ja jännityksillä membraaniaallon yleisin nopeus on n. 100 m/s ja käyttökelpoinen taajuus n. 4^0 Fz. Tästä seuraa laitteen toiminnalle joitakin tärkeitä seikkoja. Ensinnäkin, aallonpituus tulee olemaan n. 25 cm, mikä tarkoittaa sitä, että jo tunnetuissa patenttihakemuksissa esitetty menetelmä asentaa pelkkä kovaääninen paperin tai vastaavan lähelle ei toimi, sillä kovaääninen on pyöreä, jolloin sen synnyttämän aallon vaihe paperissa tai vastaavassa on epämääräinen, sillä kovaäänisten halkaisija on usein n. 20-25 cm, jolloin jopa täydellinen vaihekumoutuminen saattaa tapahtua. Synnytettävän membraaniaaltopulssin vaihe tulee hyvin määriteltyä vain siten, että aaltorintamat lähtevät samassa vaiheessa, mikä on mahdollista vain siten, että synnytetään paperiin tai vastaavaan painejuova kapean raon avulla. Mikäli kovaäänisen synnyttämää äänikeilaa oi rajoiteta kapean raon omaavalla levyllä, membraaniaaltoa ei synny membraaniin, kuten kokeissa helposti voidaan osoittaa poistamalla kyseinen levy. Kun rako suunnataan vielä siten, että se on kohtisuorassa rainan liikesuuntaa vastaan syntyy membraaniaalto rintama, jossa kaikki aallon osaset etenevät samalla nopeudella samaan suuntaan ja aallon havaitseminen mikrofonilla tulee 4 62419 helpoksi. Samanvaiheista aaltorintamaa ei synny pyöreän kehän omaavalla kovaäänisellä. Kyseisen raon leveys jännityksen suuntaan saa olla korkeintaan aallonpituuden neljännes; raon pituus kohtisuoraan jännitystä vastaan tulee olla ainakin yksi aallonpituus, jotta samanvaiheinen hyvin määritelty raembraaniaaltorin-tama syntyisi.

Pituusleikkureissa ym. vastaavissa koneissa rainan nopeus saattaa usein nousta 20 m/s saakka. Kun toisaalta membraaniaallon nopeus on n. 100 m/s saattaa tästä syntyä jopa 20¼ virhe, kun esim. pituusleikkurin nopeus kiihdytetään nollasta huippunopeuteen asti, jollei rainan nopeutta ole kompensoitu tietyllä tavalla. 10-20 prosentin virhe jännityksessä saattaa merkitä sitä, että esim. jännityshuiput katkaisevat rainan, jollei nopeuden aiheuttamaa virhettä ole kompensoitu edellä esitetyllä tavalla.

Amerikkalaisessa patenttijulkaisussa No 3,854,329 esitetään keksintö, jossa kireyttä mitataan synnyttämällä poikittainen värähtely kalvoon sähkömagneettisella kovaäänisellä sekä mittaamalla syntyneen värähtelyn kulkunooeutta kahdella mikrofonilla, jotka on sijoitettu em. kovaäänisen samalle puolelle paperin kulkusuuntaan nähden. Tässä amerikkalaisessa patentissa ei ole tarkemmin selvitetty em. sähkömagneettisen kovaäänisen rakennetta eikä nopeuskompensaatiota. Jos kovaääninen on pyöreä, se synnyttää membraaniaaltoja kaikkiin suuntiin ja samalla voi tapahtua myös vaiheitten kumoutumista, koska selvää vaiherintamaa ei ole geo-metrisesti määritelty.

Kuten edellä on osoitettu, nopeuskompensaatio on pakko tehdä, jotta laite toimisi teollisuusympäristössä. Amerikkalaisessa hakemuksessa ei esitetä mitään kompensaatiojärjestelyä, eikä sitä voida toteuttaa selostetulla kahden mikrofonin järjestelyllä. Nopeuskompensaatio voidaan tehdä vain kahdella kovaääniseen nähden vastakkaiselle puolelle sijoitetulla mikrofonilla sekä sopivalla olektroonisella järjestelyllä, kuten nyt esillä olevassa hakemuksessa esitetään.

Nyt esitetyssä keksinnössä on tunnusomaista patenttivaatimuksessa olevat seikat.

5 62419

Kuva 1 esittää havainnollisesti memhraaniaallon etenemistä jännityksen suuntaan.

Kuva 2 esittää kaavamaisesti memhraaniaallon synnyttämisjärjestelyä.

Kuva 3 esittää nyt esillä olevan keksinnön mukaista järjestelyä kaavamaisesti.

Kuten kuvasta 1 voidaan havaita, membraaniaallolla tulee olla hyvin määritelty aallonpituus ja vaihekulma. Edelleen voidaan todeta, että aalto etenee jännityksen suuntaan, mikä on käytännön tilanteissa sama kuin rainan etenemissuunta. Kireysmittauksessa mitataan memhraaniaallon kulkunopeus; kun v ja tunnetaan, saadaan jännitys kaavasta T« .

Membraaniin synnytetään tarkoituksellisesti hetkellinen taipuma 2 esim. kovaäänisellä 1 siten, että kovaääninen 1 (tai vastaava) tuodaan riittävän lähelle paperia. Kovaäänisen 1 edessä on vielä levy 3, jossa on kapea rako tai reikä, jota kautta äänipulssi o-suu paperiin saattaen paperin aukon kohdalla värähtelemään. Tämä ulkoisin keinoin synnytetty värähtely 4 lähtee etenemään jännityksen suunnassa vastakkaisiin suuntiin memhraaniaallon aaltoyhtälön mukaisesti nopeudella v=«|y Parinkymmenen sentin päähän kovaäänisestä (lähetin) 1 asennetaan lähelle paperia mikrofoni 5 (tai vastaava), jolla havaitaan memhraaniaallon synnyttämä paineaalto sen kulkiessa mikrofonin ohi. Mikrofoni 5 on puolestaan kytketty elektroniseen mikrofonivahvistimeen 6, jolla memhraaniaallon synnyttämä signaali vahvistetaan. Kun etäisyys mikrofonista 5 kovaääniseen 1 tunnetaan, niin elektronisesti havaitusta kulkuajasta saadaan memhraaniaallon nopeus ja nopeudesta puolestaan kireys (jännitys), koska pintapaino on tunnettu. Kovaäänistä voidaan ohjata sähköisesti elektronisella signaaligeneraattorilla 7, jolla voidaan synnyttää eri pituisia signaaleja halutulla taajuudella, jolloin membraaniaallonkin taajuutta voidaan halutulla tavalla kohtrolloida. Memhraaniaallon kulkuajan elektronisessa mittauksessa voidaan käyttää useita menetelmiä kuten vaiheilmaisua, autokorrelaatiomenetelmää taikka digitaalista laskentamenetelmää. Koska jokaisesta em. menetelmästä saadaan nopeus, on epäolennaista, mitä elektronista mittausmc- 6 62419 netelmää käytetään. Kulkua!ka voidaan periaatteessa mitata yhdelläkin mikrofonilla, mutta kahden mikrofonin avulla saadaan esim. paperirainan oman nopeuden vaikutus kumottua.

Kuvassa 3 esitetään sitä mittausjärjestelyä, jota käytännössä käytetään, koska siinä on esitetty paperirainan oman nopeuden kompensaatiojärjestely. Koska käytännön kokeissa on osoittautunut, että kireys voidaan mitata n. 1-3%:n tark’-uudella, on välttämätöntä, että nopeuskompensaatio suoritetaan, sillä nopeuden aiheuttama virhe voi olla 5-20%; sitä paitsi paperirainan omaa todellista nopeutta on vaikea mitata erikseen.

Olkoot kummankin mikrofonin 8 etäisyys kovaäänisestä 9 S ja liikkukoon raina toiseen suuntaan nopeudella C. Tällöin membraa- niaallon 4 nopeus rainan nopeuden suuntaan kasvaa määrällä C ja vastakkaiseen suuntaan hidastuu määrällä C. Tällöin kulkuaika s rainan nopeuden suuntaan on ja vastakkaiseen suuntaan „ ' /r*c -ja. . Kun rainan nopeus C eliminoidaan, saadaan jännityk- /“j ^ ^2 sen lauseke Tm , jossa rainan nopeus ei siis esiinny.

Käytännössä voidaan toimia siten, että t1 ja tg mitataan, joista saadaan korjattu T mitattua elektroonisesti, koska ^ ja S tunnetaan muuten.

Esillä olevan menetelmän lisäetuna on vielä se, että kyseessä on nimenomaan kulkuaaltopulssi eikä seisova aalto. Seisova aalto on nimittäin hyvin herkkä kiinnitykselle, paperin pituudelle, jne; kun tarkastellaan kulkuaaltopulssia, heijastukset reunoista eivät vaikuta ja paperi käyttäytyy ikäänkuin se olisi äärettömän pitkä. Toinen etu on se, että mittalaitteet eivät kosketa kalvoa, joka voi siten vapaasti kulkea omassa tasossaan.

Esillä oleva menetelmä sopii myös muovikalvoille ynnä muille mem-hraaneille, joihin em. yhtälö (1) pätee.

Claims (4)

7 6241 9

1. Liikkuvan tai palkallaan olevan jännityksen alaisen pape-rirainan, muovikalvon, nembraanin tai vastaavan kireyden tai jännityksen alttari, jossa kyseiseen menbraaniin synnytetään erillisellä sähkömagneettisella kovaäänisellä aenbraanlaaltoja, tunnettu silta että sähkömagneettisen kovaäänisen (1) äänikeilaa rajoittaa pitkän, sutta kapean raon oaaava levy (3), jossa rako on suunnaltaan kohtisuorassa ralnan liikettä vastaan ja jossa raon leveys on pieneapi kuin menbraaniaallon aallonpituuden neljännes, jolloin kovaäänisen (1) aeabraanlln synnyttämä ja siinä etenevä halutun kestoinen aeabraanlaaltopulssi (4) voidaan halutulla paikalla havaita mikrofonilla, joka on niin lähellä mem-braania, että membraaniaallon synnyttämä signaali voidaan havaita sähköisenä signaalina mikrofoniin liitetyssä vahvistimessa.

2. Patenttivaatimuksen 1. mukainen jännityksen alaisen mem-bräänin, paperlrainan tai vastaavan kireysmittari, tunnettu siitä, että ralnan tai nenbraanln oman nopeuden vaikutus membraanipulssin kulkunopeuteen kompensoidaan kahdella mikrofonilla (8), jotka on sijoitettu tietyn matkan päähän kovaäänisestä (9) sekä ralnan nopeuden suuntaan että vastakkaiseen suuntaan, jolloin kunnastakin mikrofonista saadut signaalit voidaan yhdistää siten, että ralnan oma nopeus ei vaikuta mittaustulokseen.

3. Patenttivaatimusten 1. ja 2. mukainen nembraanin, paperi-rainan tai vastaavan kireysmittari, tunnettu siltä, että kyseinen menbraani, paperiraina tai vastaava on painokoneessa, paperikoneessa tai pituusleikkurissa oleva paperiraina, jonka kireys halutaan mitata.

4. Patenttivaatimusten 1·, 2. ja 3· mukainen nembraanin kireysmittari, tunnettu siitä, että kyseinen menbraani on muovikalvo muovikalvoa valmistavassa koneessa.