NO166677B - Fremgangsmaate og apparat for beroeringsfri maaling av strekkspenning i en flat folie, saerlig en papirbane. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte i samsvar med den innledende del av det etterfølgende krav 1, for berøringsfri strekkspenningsmåling av en papirhane.

Oppfinnelsen angår ytterligere et apparat for anven-delse av fremgangsmåten.

I papir- og trykkemaskiner spiller måleutstyret for strekk og strekkfordeling i papirhanen en betydelig rolle når det gjelder påliteligheten av maskindriften. Bremseinnretninger for papirhanen er vanskelig å tilpasse og forårsaker betydelige tilleggskostnader, særlig da banehastighetene innen papir-industrien kan nå opp i hastigheter på 100 km/h. I denne sam-menheng anses det av vesentlig betydning å kunne måle strekkspenningen i papirbanen, særlig dersom det er mulig å måle spenningsfordelingen på tvers over denne. Dette er desto vik-tigere siden erfaringen har vist at det over papirbanens bredde opptrer strekkspenninger som varierer svært mye, spennende fra høye spenningsspisser til lave minimalverdier. Hvis tilstrekkelig informasjon om disse strekkspenningsvariasjoner kan gjøres tilgjengelige, vil bremseinnretninger for papirbanen kunne ute-lates. I dag baseres de foretrukne metoder for å undersøke strekkspenningene i en papirhane på forskjeller i rotasjons-hastigheten mellom de enkelte valser, men på grunn av sluring er dette ikke særlig pålitelig eller anvendelig, og det kan ikke ut fra dette tilveiebringes direkte informasjon om spen-ningstilstanden i banen.

Hittil har slike spenningsmålinger oyyget på tre for-skjellige fremgangsmåter. Den første går ut på å lags en fordypning i banen ved å blåse komprimert luft og deretter måle dyb-den av denne fordypning. Den andre fremgangsmåte måler den gjensidige trekkraft mellom valsene ved hjelp av krafttrans-dusere montert på valsenes aksler. Den tredje fremgangsmåte benytter membranbølger i papirbanen og som detekteres av mikrofoner installert nær denne. Denne siste fremgangsmåte er beskrevet i nærmere detalj i FI-PS 62419. I samsvar med dette patentskrift genereres membranbølger i papirbanen ved hjelp av f.eks. en høyttaler som er innrettet for å sende ut lydbølger i både den retning som papirbanen beveger seg og den motsatte retning. Forplantningshastigheten av disse membranbølger benyttes så til bestemmelse av membranens strekkspenning ut fra en formel kjent fra fysikken og som tilsier at strekkspenningen i banen er proporsjonal med kvadratet av membranbølgens for-plantningshastighet og banens basisvekt. Membranhastigheten kan måles med mikrofoner, som er plassert i en bestemt avstand fr^ lydkilden slik at tidsforsinkelsen mellom utsendelsen av en puls og mottagelsestidspunktet av denne finnes. Denne fremgangsmåte benytter vibrasjoner i det akustiske frekvensområde såsom pulser modulert med 400 Hz. En fremgangsmåte som likeledes benytter membranbølger er beskrevet i US-PS 3 854 329. I motset-ning benytter denne amerikanske metode ultralydvibrasjoner.

Den nevnte; første fremgangsmåte som benytter komprimert luft har vist seg å være temmelig unøyaktig, og dette skyldes særlig at den dyse som benyttes må være plassert temmelig nær papirbanen, hvilket medfører stor risiko for oppriving av denne.

Den andre fremgangsmåte som baserer seg på måling av den gjensidige trekkraft mellom papirbanens valser benyttes temmelig hyppig, men ulempene er her f.eks. en langsom respons på grunn av valsenes masse. I praksis måles en strekkspennings-ekvivalent integrert over hele papirbanens bredde, og dette medfører at strekk-variasjonene over papirbanens bredde ikke av-slører de strekkspenningstopper som forårsaker brudd i papirbanen .

I den tredje fremgangsmåte som er i samsvar med det finske patentskrift benyttes som sagt et audiofrekvent signal hvor mikrofonene også må være tilpasset samme frekvensområde, og dette fører til betydelige signal/støyproblemer siden det som kjent i omgivelsene rundt en papirmaskin finnes særdeles høye akustiske støynivåer, særlig i dette frekvensområde. Dette medfører dårlig deteksjon og overbelastningsfenomener i mikrofonene. I tillegg til deteksjon av pulssiqnalet vil de oqså motta det direkte akustiske signal fra høyttalerne via luften, og dette medfører likeledes betydelige måleforstyrrelser. På den annen side viser praktiske forsøk med den fremgangsmåte som her benyttes at membranbølger faktisk ikke kan genereres i ultra-lydområdet, og dettfi; medfører at et apparat såsom det beskrevet i US-PS 3 854 329 vanskelig kan virke i det hele tatt.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å eliminere de ulemper som er knyttet til teknikkens stand som an-gitt ovenfor og tilveiebringe en fullstendig ny fremgangsmåte og det tilhørende apparat for berøringsfri måling av strekkspenninger i en papirbane.

Oppfinnelsen baseres på en membranbølge som genereres ved en passende frekvens i papirbanen med en høyttaler eller en tilsvarende innretning og hvor deretter forplantningshastigheten for denne membranbølge detekteres med optiske detektorer anordnet nær banen for å motta de fysiske vibrasjoner i denne når membranbølgen passerer et observasjonspunkt. Siden avstanden fra dette observasjonspunkt for optisk deteksjon fra bølge-utsendelsesstedet er kjent kan bølgehastigheten eksakt bereg-nes ut fra den målte forplantningstid. I praksis benyttes det to optiske deteksjonspunkter hvis innbyrdes avstand er fast-lagt.

Fremgangsmåten i samsvar med den foreliggende oppfinnelse er nærmere kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karakteriserende del av det etterfølgende krav 1.

Videre er det apparat som benyttes i samsvar med oppfinnelsen kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karakteriserende del av det etterfølgende krav 7. Oppfinnelsen gir fremtredende fordeler.

Fremgangsmåten og apparatet i samsvar med oppfinnelsen unngår fullstendig forstyrrende støy fra omgivelsene og direktelyd fra høyttaleren. Den optiske deteksjonsmetode for-bedrer således i meget stor grad signal/støy-forholdet og gjør det mulig å benytte apparatet også i slike omgivelser hvor metoder innenfor teknikkens stand ville være fullstendig ubrukbare..Oppfinnelsen skal nå gjennomgås i detalj i forbindelse med et beskrevet utførelseseksempel og ledsagende teg-ninger, hvor fig. 1 viser et skjematisk utsnitt fra siden av et måleapparat i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2 viser en detalj av dette apparat, fig. 3 viser skjematisk fra siden en annen utførelsesform av apparatet i samsvar med oppfinnelsen, fig. 4 viser i delvis gjennombrutt perspektiv en tredje ut-førelsesform av apparatet i samsvar med oppfinnelsen, fig. 5 viser en fjerde utførelsesform av apparatet i samsvar med oppfinnelsen, sett fra siden, og hvor membranbølgen er gjort syn-lig ved hjelp av en interferensdannende glassplate, og fig. 6 viser en detalj av dette sist viste apparat.

Fig. 1 viser således en mulig utførelsesform av et apparat i samsvar med oppfinnelsen, og det benyttes her en helium-neonlaser 5 og semireflekterende speil 6 for å frem-bringe lyspunkter 41 som vibrerer i samsvar med vibrasjonene ^

en papirbane 1. Laserstrålen rettes inn mot de semireflekterende speil og reflekteres vinkelrett på papirbanens 1 overflate. En høyttaler 3 benyttes for å generere en modulert lydpuls som i papirbanen 1 forårsaker en membranbølge 2 som forplanter seg utover i banen med en hastighet som er proporsjonal med kvadratet av strekkspenningen i banen. Membranbølgen 2 forplanter seg utover fra høyttaleren 3 til begge sider av denne. Posisjonen av de som følge av membranbølgene vibrerende lyspunkter 4 på banen detekteres av en posisjonsfølsom detektor 8 hvis optiske akse ligger vinkelmessig forskjøvet i forhold til de lysstråler 10 som belyser banen, og detekteringen av et lyspunkt 4 på banen bringes til fokusering i detektoren 8 ved hjelp av et passende optisk system 7.

Fig. 2 viser i nærmere detalj lysdeteksjonen fra to punkter p hhv. p' ved banen til to avbildningspunkter P hhv. P' foran en lysfølsom skive 11 i den posisjonsfølsomme optiske detektor 8. Når papirbanen 1 beveges på tvers av fremførings-retningen som følge av membranbølgen som forplanter seg langs banen, skjer dette som en vibrasjon hvor et punkt på banen momentant får et utsving fra sin likevektsposisjon ved lyspunktet p til en ny stilling ved lyspunktet p'. Samtidig for-skyves det avbildede lyspunkt P i detektoren 8 til et nytt forskjøvet avbildningspunkt P'. Detektoren 8 omformer bevegelsen av det vibrerende lyspunkt 4 som forårsakes av membran-bølgen 2 tii et periodisk signal hvis frekvens er den samme som frekvensen for membranbølgen. Lysgangen for lyspunktsavbild-ningen av det utsvingte lyspunkt p' er på fig. 2 vist med stip-lede linjer.

Utgangssignalet fra den posisjonsfølsomme detektor

8 føres til en elektronisk enhet 9 hvor det dannede signal benyttes til å bestemme forplantningshastigheten for membran-bølgen 2 og som så gir grunnlag for beregning av strekkspenningen i papirbanen 1.

I den enkleste utførelsesform kan forplantningshastigheten av membranbølgen 2 bestemmes ved hjelp av kun én detektor 8. Dette krever imidlertid tilleggsinformasjon ved-rørende papirbanens hastighet. Bølgehastigheten kan måles ut fra forholdet mellom avstanden mellom lydkilden, representert ved høyttaleren 3 og detektoren 8 og forplantningstiden for bølgen 2 over denne avstand.

Fig. 1 viser en speiloppstilling som gir totalt fire lyspunkter 4 på banen 1. Ved å benytte et annet arrangement med to detektorer 8 i tilknytning til det lyspunkt 4 som ligger nærmest laseren 5 oppnås ytterligere fordeler. Nå kan nemlig membranbølgen 2 detekteres i to motsatt liggende retninger.

Ved å måle hastighetene til begge disse utgående bølger 2 på

den måte som er beskrevet ovenfor i forbindelse med den enkleste utførelsesform og deretter beregne det aritmetiske gjennomsnitt for disse to forplantningshastigheter vil papirbanens 1 hastighet kunne elimineres i målingene.

Fig. 3 viser en utførelsesform hvor lysstrålen faller skrått inn fra lyskilden som representeres av laseren 5

mot papirbanen 1 og likeledes er da den optiske akse for den posisjonsfølsomme detektor 8 skrå i forhold til papirbanens plan. I praksis kan vinkelen mellom den optiske akse for både lyskilden og detektoren i forhold til papirbanens plan velges over et stort omfang avhengig av de aktuelle forhold.

Fig. 4 viser et apparat hvor tre lyspunkter 4 dannes på papirbanen 1 slik at laseren 5 først genererer en lysstråle som styres via et første prisme 12 og et andre prisme 13 til tre semireflekterende speil 6. Speilene 6 reflekterer lysstrålen 10 slik at den faller inn skrått på overflaten av papirbanen 1. Høyttaleren 3 genererer en membranbølge 2 i banen og denne bølge forårsaker et vertikalt utsving av banen og som bevirker en horisontal forflytning av lyspunktet 4. Denne forflytning detekteres av den posisjonsfølsomme detektor

8 som likeledes omfatter den nødvendige optikk for fokusering av lyspunktet 4 i detektorens sensororganer. Det finnes tre slike detektorer 8 med sin optiske akse vinkelrett på papirbanens plan, og de er plassert slik at de ligger langs en linje som er parallell med papirbanens fremføringsretning. Den første av de tre detektorer, detektoren 8a befinner seg øverst i forhold til papirbanens bevegelsesretning og da foran høyt-taleren 3 og de to øvrige detektorer 8b og 8c som er plassert på motsatt side av, høyttaleren. Ved hjelp av detektorene 8a og 8b kan denne anordning eliminere papirbanens hastighet i måleresultatet på; samme måte som beskrevet ovenfor, og den tredje detektor 8~c samvirker med den andre 8b slik at det kan benyttes korrelasjbnsmetoder kjent fra matematikken for å bestemme membranbølgens hastighet. I denne fremgangsmåte genererer en membranbølge 2 som forplanter seg i papirbanens frem-føringsretning fra høyttaleren 3 et signal i detektoren 8b. Etter et tidsintervall detekterer den tredje detektor 8c samme (eller tilnærmet samme) signal og begge signaler lagres i en lagringsenhet, f.eks. et halvlederlager. Som beskrevet ovenfor opptar således dette lager to tidsavhengige funksjoner som tilnærmet har samme form,og en krysskorrelasjonsfunksjon kan så tilveiebringes ved f.eks. å benytte en datamaskin. Forholdet mellom avstanden mellom detektorene 8b og 8c og den tidsfor-skyvning T som tilveiebringes ut fra korrelasjonsresultatet når det gjelder bølgehastigheten (ukorrigert med hensyn til papirbanens hastighet) fremkommer da for membranbølgen 2. Denne beskrevne fremgangsmåte er særlig fordelaktig når bølgeformen for membranbølgen er kompleks, i hvilket tilfelle enklere metoder viser seg mindre egnet.

Fig. 5 viser en alternativ utførelsesform hvor lyset som utsendes fra en laser 5 ekspanderes i en ekspansjonsenhet 14 for lysstrålen og kollimeres i en kondensatorlinse 15 til en koherent plan bølge 16. Den plane bølge 16 belyser en polert glassplate 17 og reflekteres fra denne, glassplates begge flater. Det dannes da et interferensmønster 19 som føres til skrått innfall på papirbanen 1. Variasjoner på banens overflate kommer til syne som minima og maksima i det projiserte interferensmønster, og dette kan detekteres, f.eks. med et linjekamera 18.

Helium-neonlas^ren benyttet som lyskilde i de ut-førelser som er vist på fig. 1-3 kan f.eks. erstattes av en høyeffekts lysemitterende diode (halvlederemitter eller tilsvarende lyskilde) som har liten fysisk utstrekning og hvis lys kan fokuseres til et tilstrekkelig lite lyspunkt på papirbanen 1. Imidlertid er ikke fremgangsmåten for å generere et lite lyspunkt vesentlig for oppfinnelsen og vil ikke være knyttet til dennes oppfinneriske idé. Posisjonsfølsomme detektorer er likeledes kommersielt tilgjengelige og deres sær-trekk er derfor ikke beskrevet nærmere her. Lydkilden som benyttes kan f.eks. være en høyttaler som beskrevet, en trykk-luftsirene eller lignende. Disse alternativer representerer standardløsninger siden de benyttede frekvenser ligger i om-rådet 100 - 500 Hz.

I tillegg til å kunne måle strekkspenninger i papir-baner vil den foreliggende oppfinnelse også kunne benyttes for å måle spenninger i andre flate og tynne folier og måleappara-turen er særlig anvendbar ved spenningsmålinger i meget tynne plastfilmer og metallfolier.

Fordelen ved denne beskrevne fremgangsmåte er at det i samsvar med den kjente benyttede formel fra fysikken oppnås at elastisitetsmodulen (Youngs modul) for materialet ikke på-virker målingene, og hvor membranbølgens forplantningshastig-het kun er avhengig av basisvekten for den aktuelle membran som benyttes og av foliens eller banens spenning.

I tillegg til anvendelsen i papirmaskiner vil måle-apparatet kunne benyttes i forbindelse med kuttemaskiner, lim-strykepresser og trykkemaskiner. Videre vil oppfinnelsen kunne anvendes i forbindelse med maskiner som er bestemt for produksjon av plastbaserte magnetiske bånd eller for særdeles tynne metallfolier.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for måling av strekkspenning i en tynn, plan membran (l)1 hvor det benyttes en pulsgenerert membran-bølge (2) fra et transduserelement (3) såsom en høyttaler, hvor hastigheten av membranbølgen (2) måles, og hvor denne hastighetsverdi kvadreres og multipliseres med membranens (1) basisvekt for å gi strekkspenningen i membranen, KARAKTERISERT VED generering av en lysstråle (10) ved hjelp av i det minste ett lysemitterende element (5), innretting av hver lysstråle (10) med innrettingsorganer (6 eller 14, 15, 17) mot membranen (1)' for å tilveiebringe et lyspunkt (4 eller 19), omvandling av den bevegelse som lyspunktet (4 eller 19) følger på membranen (1) til et elektrisk signal som samsvarer med posisjonen av lyspunktet på membranen ved hjelp av* et detek-torelement (8 eller 18) for å kunne deteKtere membranbølgens (2) bevegelse, og prosessering av signalet i et prosessorelement (9) for å kunne bestemme membranbølgens (2) hastighet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det lysemitterende element (5) er en laser.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det lysemitterende element (5) er en lysemitterende diode eller en tilsvarende emitterende lyskilde på halvlederbasis.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at lysstrålen (10) projiseres tilnærmet vinkelrett mot membranen (1) for å kunne detektere lyspunktets (4) posisjon i vertikalplanet ved hjelp av detektorelementet (8) .

5. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at lysstrålen (10) projiseres skrått mot membranens (1) plan for å kunne detektere lyspunktets (4) forflytning ved hjelp av detektorelementet (8).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at lysstrålen som emitteres fra laseren (5) ekspanderes i en ekspans;jonsenhet. (14) for strålen og kollimeres av en kondensatorlinse (15) for å danne en koherent plan bølge (16) som projiseres pa era interferensdannende kileformet glassplate (17) for projisering av reflektert lys til et interferens-mønster (19) på membranen (1), hvorved et linjekamera (18) benyttes for avbildning og generering av et elektrisk signal ut fra det dannede interferensmønster (19) på membranens overflate.

7. Apparat for måling av strekkspenningen i en tynn, plan membran (1), omfattende et transduserelement (3) såsom en høyttaler for generering av en membranbølge (2), KARAKTERISERT VED et lysemitterende element (5) som kan benyttes for emittering av en lysstråle (10), innrettingsorganer (6 eller 14, 15, 17) hvorved lysstrålen (10) kan projiseres på membranen (1) til et lyspunkt (4 eller 19), minst ett detektor-element (8 eller 18) med hvilket lyspunktet (4 eller 19) kan omvandles til et elektrisk signal i samsvar med posisjonen av lyspunktet for å kunne bestemme bevegelsen av membranbølgen (2), og et prosessorelement (9) for prosessering av det elek-triske signal for å kunne bestemme membranbølgens '(2) hastighet .

8. Apparat ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at det som lysemitterende element (5) benyttes en laser.

9. Apparat ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at det lysemitterende element (5) er en lysemitterende diode eller en tilsvarende emitterende lyskilde på halvlederbasis.

10. Apparat ifølge krav 8, KARAKTERISERT VED å omfatte en ekspansjonsenhet (14) for lysstrålen og en kondensatorlinse (15) ved hjelp av hvilke det kan dannes en koherent plan bølge (16), en glassplate (17) hvormed den plane bølge (16) kan projiseres på en membran (1) for å danne et interferens-mønster (19) i samsvar med membranbølgen (2), og et linjekamera (18) ved hjelp av hvilket interferensmønsteret (19) kan omvandles til et elektrisk signal.