FI79410C - Foerfarande och anordning foer kontaktloes maetning av spaenningen hos en plan folie och isynnerhet en pappersbana. - Google Patents

Description

79410

Menetelmä ja laitteisto tasomaisen kalvon ja varsinkin pape-rirainan kireyden kontaktittomaksi mittaamiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä paperirainan kontaktittomaan kireysmit-taukseen.

Keksinnön kohteena on myös menetelmän toteuttamiseen käytettävä laitteisto.

Paperi- ja painokoneissa on paperirainan kireyden ja kireys-jakautuman mittari varsin tärkeä koneen toiminnan luotettavuuden kannalta. Rainan katkokset ovat vaikeasti ennustettavissa ja aiheuttavat huomattavia lisäkustannuksia, erityisesti kun paperin valmistuksessa rainan nopeudet ovat jatkuvasti kasvussa; paperiraina saattaa edetä 100 km:n tuntivauhtia. Tältä kannalta rainan kireysmittari olisi hyvin tarpeellinen, erityisesti jos rainan kireyden jakautumaa koneen poikkisuunnassa kyettäisiin mittaamaan, sillä kokemusten mukaan kireysprofiilissa saattaa esiintyä suuria "piikkejä" tai sitten aivan löysiä kohtia. Mikäli kireystieto on saatavissa elektronisena signaalina, voidaan koneen toimintaa säätää tämän mittaustiedon mukaan mm. siten, että raina ei pääse katkeamaan. Nykyään rainan kireyttä pyritään säätämään mm. telojen välisiä kierrosnopeuseroja muuttelemalla, mutta tässä kierrosnopeussäädössä on juuri se heikkous, että luistosta johtuen todellista kireyttä ei tunneta rainalta suoraan.

Nykyään rainan kireyttä voidaan mitata kolmella eri menetelmällä. Ensimmäisessä niistä puhalletaan paineilmalla paperiin kuoppa, jonka syvyyttä mitataan. Toisessa menetelmässä mitataan paperikoneen telojen välistä vetovoimaa telojen akseleille asennetuilla voima-antureilla. Kolmas menetelmä käyttää hyväkseen membraaniaaltoja, jotka ilmaistaan käyttämällä paperirainan lähelle tuotuja mikrofoneja. Menetelmää 2 79410 on tarkemmin selitetty FI-patenttijulkaisussa 62 419. Patentin mukaisesti paperirainaan synnytetään esim. kovaäänisellä membraaniaaltoja, jotka etenevät rainassa jännityksen suuntaan paperiradan liikkeen suunnassa ja sen vastasuunnassa. Tämä membraaniaallon nopeus ilmaisee siten rainan kireyden fysiikasta sinänsä tunnetulla kaavalla, jossa kireys on verrannollinen membraaniaallon nopeuden neliön ja paperirainan neliöpainon tuloon. Membraaniaallon nopeus saadaan mitatuksi mikrofoneilla asettamalla mikrofonit tunnetun matkan päähän äänilähteestä ja mittaamalla membraaniaallon kulkuaika. Tässä menetelmässä joudutaan käyttämään akustisella äänialueel-la olevia värähtelyjä, kuten n. 400 Hz:n purskeita. Membraa-niaaltoon perustuva menetelmä on esitetty myös US-patentti-julkaisussa 3 854 329. Tässä julkaisussa esitetyssä menetelmässä käytetään suomalaisesta menetelmästä poiketen ultraää-nitaajuudella olevia värähtelyjä.

Ensimmäinen painepuhallusmenetelmä on osoittautunut varsin epätarkaksi, ja siinä suutin tuodaan varsin lähelle paperia, jolloin repeytymisen vaara on suuri.

Toinen menetelmä, jossa mitataan telojen välistä vetovoimaa, on jossain määrin käytetty, mutta sen haittana on mm. hitaus, koska telojen massat ovat satoja kiloja. Menetelmässä mitataan ikäänkuin rainan yli integroitu kireys, jolloin mm. kireysprofiili jää selvittämättä. Myös itse rainan katkaisevat jännitehuiput jäävät ilmaisematta.

Kolmannessa, FI-patentin mukaisessa menetelmässä käytetyn äänitaajusen signaalin vuoksi mikrofonitkin joudutaan virittämään tälle samalle äänitaajuusalueelle, jolloin joudutaan melkoisiin signaali-kohinasuhde-vaikeuksiin, sillä kuten tunnettua paperikoneen ympärillä esiintyy hyvin voimakkaita äänihäiriöitä juuri tällä taajuusalueella, mistä seuraa mm. mikrofonien yliohjautumista. Lisäksi mikrofoni-ilmaisu havaitsee myös ilman kautta suoraan kaiuttimesta tulevan äänen, joka häiritsee mittausta suuresti. US-julkaisun mukaiseen menetelmään liittyvissä käytännön kokeissa on taas , · 3 79410 osoittautunut, että ultraäänialueella ei voi esiintyä mem-braaniaaltoja, joten US-patentin mukainen laite ei toimi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen menetelmä ja laitteisto paperirainan kontaktitto-maan kireysmittaukseen.

Keksintö perustuu siihen, että paperirainaan synnytetään sopivalla taajuudella kovaäänisellä tai vastaavalla laitteella membraaniaalto, jonka etenemisnopeus ilmaistaan rainan lähelle tuoduilla optisilla ilmaisimilla, joilla ilmaistaan rainan mekaaninen värähtely membraaniaallon kulkiessa ha-vaintopisteen ohi. Kun optisen havaintopisteen etäisyys aallon syntykohdasta tunnetaan, voidaan aallon nopeus laskea tarkasti mitatusta kulkuajasta.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa .

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteistolla eliminoituvat kaikki ympäristön meluongelmat sekä kaiuttimesta saapuva suora ääni. Optisella ilmaisumenetelmällä signaali-kohinasuhde paranee siten ratkaisevasti ja laitteen käyttö tulee mahdolliseksi sellaisissakin olosuhteissa, joissa aikaisempi menetelmä olisi täysin käyttökelvoton.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisen sovellutusesimerkin avulla.

Kuvio 1 esittää osittain kaaviollisena sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista mittauslaitteistoa.

4 79410

Kuvio 2 esittää yksityiskohtaa kuvion 1 mukaisesta mittauslaitteistosta .

Kuvio 3 esittää kaaviollisena sivukuvantona toista keksinnön mukaista mittauslaitteistoa.

Kuvio 4 esittää osittain leikattuna perspektiivikuvantona kolmatta keksinnön mukaista mittauslaitteistoa.

Kuvio 5 esittää sivukuvantona neljättä keksinnön mukaista mittauslaitteistoa, jossa membraaniaalto saadaan näkyviin interferenssin synnyttävän lasilevyn avulla.

Kuvio 6 esittää kuvion 5 mukaisen laitteiston yksityiskohtaa .

Kuviossa 1 on esitetty yksi mahdollinen ratkaisu keksinnön mukaisen laitteiston toteuttamiseksi. Helium-neon-laserin 5 ja puoliläpäisevien peilien 6 avulla muodostetaan paperirai-nalle 1 pistemäiset valokuviot 4 suuntaamalla lasersäde peilien 6 avulla kohtisuoraan paperirainan 1 pintaa kohti. Kovaäänisellä 3 synnytetään äänipurske, joka aikaansaa paperi-rainaan 1 sen kireyden neliöjuureen verrannollisella nopeudella etenevän membraaniaallon 2. Membraaniaalto 2 etenee kaiuttimesta 3 poispäin äänilähteen 3 molemmilla puolilla. Pistemäisen valokuvion 4 rainalla olevaa sijaintia havainnoidaan paikkaherkällä ilmaisimella 8, jonka optinen akseli muodostaa kulman rainaan kohdistettun säteen 10 kanssa, ja valokuvio 4 fokusoidaan ilmaisimelle 8 sopivalla linssisovi-telmalla 7.

Kuviossa 2 on yksityiskohtaisemmin esitetty valokuvioiden p ja p' kuvautuminen kuvapisteiksi P ja P' kuvatasolle 11. Kun raina 1 värähtelyn johdosta poikkeutuu tasapainoasemastaan p φ uuteen asemaan p, siirtyy samalla kuvapisteen P paikka kuvatasolla 11 asemaan P. Paikkaherkkä ilmaisin 8 havaitsee membraaniaallon 2 aiheuttaman valokuvion 4 liikkeen jaksollisena signaalina, jonka taajuus on sama kuin membraaniaallon 2 taajuus. Kuvioissa siirtynyt kuvapiste on esitetty katkoviivan avulla.

5 79410

Paikkaherkän ilmaisimen 8 ulostulosignaali johdetaan elekt-roniikkalaitteistoon 9, jossa saadun signaalin avulla määritetään membraaniaallon 2 kulkunopeus, josta rainan 1 kireys voidaan laskea.

Yksinkertaisimmillaan aallon 2 nopeus voidaan määritellä yhden ilmaisimen 8 avulla. Tällöin rainanopeuden tulee olla tiedossa. Aaltonopeus voidaan mitata äänilähteen 3 ja ilmaisimen 8 välimatkan suhteesta aallon 2 kulkuaikaan tällä välillä.

Kuviossa 1 on piirretty peilijärjestelyt, joilla rainalle 1 saadaan yhteensä neljä valokuviota 4. Käyttämällä laseria 5 lähinnä olevan valokuvion 4 yhteydessä toista ilmaisinta 8 saavutetaan lisäetuja. Tällöin pystytään tarkkailemaan vastakkaisiin suuntiin eteneviä membraaniaaltoja 2. Mittaamalla molempien aaltojen 2 nopeudet edellä esitetyllä tavalla ja muodostamalla näiden nopeuksien aritmeettinen keskiarvo, saadaan rainan 1 oman nopeuden vaikutus mittauksissa eliminoiduksi .

Kuviossa 3 on kuvattu järjestely, jossa valonlähteellä 5 valonsäde kohdistetaan paperirainaan 1 vinosti ja myös paikka-herkän ilmaisimen 8 optinen akseli on vinosti paperirainaan 1 nähden. Käytännössä sekä valonlähteen 5 että ilmaisimen 8 optisen akselin kulma paperirainaan 1 nähden voidaan valita varsin laajalta alueelta aina olosuhteiden mukaan.

Kuviossa 4 on esitetty laitteisto, jossa muodostetaan kolme valopistettä 4 rainalle 1 siten, että synnytetään laserilla 5 valonsäde, joka ohjataan ensimmäisen prisman 12 ja toisen prisman 13 kautta puoliläpäiseville peileille 6, joita on kolme kappaletta. Peilit 6 kohdistavat säteen 10 kulmassa paperirainan 1 pintaan. Kaiuttimella 3 synnytetään paperirainaan 1 membraaniaalto 2. Aalto 2 aiheuttaa rainaan 1 ver-tikaalipoikkeaman, joka aikaansaa valokuvion 4 horisontaali-poikkeaman. Poikkeama ilmaistaan paikkaherkällä ilmaisimella 8, joka käsittää myös tarvittavan optiikan valopisteen 4 fo- 6 79410 kusoimiseksi anturille. Ilmaisimia 8 on kolme ja kunkin optinen akseli on kohtisuoraan paperirainaan 1 nähden. Ilmaisimet 8 on sijoitettu siten, että ne ovat samalla linjalla rainan 1 kulkusuuntaan nähden, ja yksi 8a on kaiuttimeen 3 nähden rainan 1 tulosuunnassa ja kaksi 8b, 8c kaiuttimeen 3 nähden rainan 1 menosuunnassa. Tällä järjestelyllä pystytään ilmaisimien 8a ja 8b avulla eliminoimaan rainan 1 nopeuden vaikutus mittaustulokseen edellä mainituilla tavalla. Ilmaisin 8c toimii yhteistyössä ilmaisimen 8b kanssa, jolloin membraaniaaltonopeuden määrittelyssä voidaan käyttää hyväksi matematiikasta tunnettua korrelaatiomenetelmää. Menetelmässä kaiuttimesta 3 rainan 1 kulkusuuntaan päin etenevä membraa-niaalto 2 aiheuttaa signaalin ilmaisimeen 8b. Hetken kuluttua ilmaisin 8c ilmaisee saman (tai likimain saman) signaalin. Molemmat signaalit tallennetaan muistiyksikköön, esimerkiksi puolijohdemuistiin. Aiemmin kerrotun perusteella muis-tiyksiköihin on siis tallennettu kaksi muodoltaan likimain samanlaista aikariippuvaa funktiota. Funktioista muodostetaan ristikorrelaatiofunktio esimerkiksi tietokoneen avulla. Ilmaisimien 8b ja 8c välimatkan suhteesta korrelaatiofunktiosta saatuun signaalin aikasiirtymään T saadaan membraani-aallon 2 (rainan nopeudella korjaamaton) nopeus. Mainittu menetelmä on erityisen edullinen silloin, kun membraaniaal-lon aaltomuoto on häiriintynyt, jolloin yksinkertaisimmat menetelmät eivät toimi.

Kuviossa 5 on esitetty toteutusvaihtoehto, jossa laserilla 5 synnytetty valo levitetään säteenlevittimellä 14 ja kootaan kokoojalinssillä 15 koherentiksi tasoaalloksi 16. Tasoaalto 16 kohtaa kiilamaiseksi hiotun lasilevyn 17, jossa tasoaalto interferoituu ja heijastuu rainan 1 pinnalla olevalle mem-braaniaallolle 2. Interferoituneesta tasoaallosta muodostuu kuviossa 6 esitetty interferenssikuvio 19, josta aallon 2 minimit ja maksimit ovat havaittavissa esimerkiksi rivikame-ran 18 avulla.

Helium-neon-laserin sijasta voidaan kuvioiden 1-3 tapauksissa valonlähteenä käyttää esimerkiksi suuritehoista LED- 7 79410 lamppua (valodiodia tai valotransistoria), joka on pienikokoinen ja jonka valo voidaan fokusoida riittävän pieneksi pisteeksi paperille 1. Pienen valopisteen synnyttämistapa on kuitenkin tämän keksinnön kannalta epäolennaista eikä sisällä mitään erityistä keksinnöllisyyttä. Paikkaherkkiä detektoreja on myös kaupallisesti saatavissa, ja niiden ominaisuuksia ei siksi tässä selosteta tarkemmin. Äänilähteenä voidaan käyttää esim. kovaäänistä, paineilmapilliä tai vastaavaa. Nämä ovat vakioratkaisuja, koska käytettävät taajuudet ovat suuruusluokkaa 100 - 500 Hz.

Esitetyllä keksinnöllä voidaan mitata paperin lisäksi myös muiden ohuiden kalvomaisten aineiden kireyksiä. Mittari soveltuu erityisen hyvin ohuiden muovi- ja metallikalvojen kireyden mittaukseen.

Menetelmän etuna on se, että materiaalin kimmovakio ei peruskaavan mukaisesti vaikuta mittaukseen, vaan membraaniaallon nopeus riippuu vain kalvon painosta ja kireydestä.

Mittalaitetta voidaan paperikoneiden lisäksi käyttää pituus-leikkureissa, liimapuristimissa sekä painokoneissa. Myös muovisia magneettinauhoja valmistavat koneet tai hyvin ohuita metallifolioita valmistavat koneet voivat olla keksinnön käyttökohteita.

Claims (10)

1. Menetelmä ohuen, tasomaisen kalvon (1) jännityksen mittaamiseksi, jossa menetelmässä - synnytetään purskemainen membraaniaalto (2) heräte-elimellä (3), esimerkiksi kovaäänisellä (3), - mitataan membraaniaallon (2) nopeus, - korotetaan membraaniaallon (2) nopeuslukema neliöön ja kerrotaan se kalvon (1) neliöpainolla kireyden määrittämiseksi, tunnettu siitä, että - vähintään yhdellä valoelimellä (5) synnytetään valonsäde (10), - kohdistetaan kukin valonsäde (10) kohdistuselimien (6 tai 14, 15, 17) avulla kalvoon (1) valokuvion (4 tai 19) muodostamiseksi, - kalvoon (1) muodostuva valokuvio (4 tai 19) muutetaan kuvion (4 tai 19) paikasta riippuvaksi sähköiseksi signaaliksi vähintään yhden ilmaisin-elimen (8 tai 18) avulla membraaniaallon (2) määrittämiseksi, ja - muokataan signaali muokkauselimessä (9) membraaniaallon (2) nopeuden määrittämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valoelimenä (5) käytetään laseria.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valoelimenä (5) käytetään valodiodia tai valotran- 9 79410 sistoria.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valonsäde (10) kohdistetaan oleellisen kohtisuoraan kalvon (1) tasoa kohti, jolloin ilmaisin-elimellä (8) ilmaistaan valopisteen (4) asema vertikaali-tasossa.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valonsäde (10) kohdistetaan vinosti kalvon (1) tasoa kohti, jolloin ilmaisinellmellä (8) ilmaistaan valopisteen (4) siirtymä.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laserista (5) saatu säde levitetään säteenlevittä-jällä (14) ja kootaan kokoojalinssillä (15) sellaisen koheren-tin tasoaallon (16) muodostamiseksi, joka kohdistetaan interferenssin synnyttävään kiilamaiseen lasilevyyn (17) interfe-roituneen valon kohdistamiseksi kalvolle (1), ja rivikameralla (18) rainalle syntyneestä interferenssikuviosta (19) muodostetaan sähköinen signaali.

7. Laitteisto ohuen, tasomaisen kalvon (1) jännityksen mittaamiseksi, joka laitteisto käsittää - heräte-elimen (3), esimerkiksi kovaäänisen, joilla membraaniaalto (2) on synnytettävissä, ja - valosähköisen ilmaisin-elimen (8 tai 12), tunnettu - valoelimestä (5), jolla valonsäde (10) on muodostettavissa, - kohdistuselimistä (6 tai 14, 15, 17), joilla valonsäde (10) on kohdistettavissa kalvolle (1) valokuvioksi (4 tai 19), ίο 7941 0 - vähintään yhdestä sellaisesta ilmaisin-elimestä (8 tai 18), jolla valokuvio (4 tai 19) on muutettavissa kuvion (4 tai 19) paikasta riippuvaksi sähköiseksi signaaliksi membraaniaallon (2) määrittämiseksi ja - elimistä (9) mainitun sähköisen signaalin muokkaamiseksi membraaniaallon (2) nopeuden määrittämiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että valoelin (5) on laser.

8 79410

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että valoelin (5) on valodiodi tai valotransistori.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää säteen levittimen (14) ja ko-koojalinssin (15), joilla koherentti tasoaalto (16) on muodostettavissa, lasilevyn (17), jolla tasoaalto (16) on kohdistettavissa kalvoon (1) membraaniaaltoa (2) vastaavan interferenssikuvion (19) muodostamiseksi, ja rivikameran (18), jolla interferenssikuviosta (19) on muodostettavissa sähköinen signaa li. H 79410