SE463051B - Saett foer maetning av en spaenning i ett tunt, plant membran jaemte en anordning foer genomfoerande av saettet - Google Patents

Description

463 051 z merad luft med åtföljande uppmätning av djupet hos för- djupningen. Den andra metoden mäter den ömsesidiga drag- ningskraften mellan rullarna med hjälp av kraftomvand- lare monterade på rullarnas axlar. Den tredje metoden utnyttjar membranvågor i banan, vilka detekteras medelst mikrofoner installerade nära banan. Sättet beskrivs mer i detalj i det finska patentet 62419. Enligt patentet induceras membranvågor i banan medelst t.ex. en högtalare, vilka utbreder sig i riktningen för den pâlagda spänningen i såväl banans löpriktning som i motsatt riktning. Hastig- heten hos denna membranvåg utnyttjas sedan för bestämning av banspänningen medelst en formel som är känd inom fysi- ken, vilken uttrycker spänningen såsom varande proportio- nell mot produkten av kvadraten på membranvågshastigheten och banans ytvikt. Membranvågshastigheten kan uppmätas medelst mikrofoner monterade på ett förutbestämt avstånd från ljudkällan, varefter utbredningshastigheten för mem- branvågen kan bestämmas. Enligt denna metod pålägges vibra- tioner inom det akustiska frekvensområdet, såsom på var- andra följande impulsgrupper (eng. bursts) med frekvensen 400 Hz. En metod baserad på utnyttjandet av membranvågor beskrivs även i den amerikanska patentskriften 3.854.329.

Till skillnad från den finska metoden beskriver denna skrift en metod baserad på utnyttjandet av ultraljuds- vibrationer.

Den första metoden med blåsning av komprimerad luft har visat sig relativt inexakt och till följd av att mun- stycket enligt metoden anbringas mycket nära pappersbanan är risken för rivning hög.

Den andra metoden baserad på mätning av ömsesidig drag- kraft mellan rullarna är relativt vanligt utnyttjad men dess nackdelar är exempelvis långsamt svar till följd av att massorna i rullarna går upp mot hundratals kilo. I verkligheten mäter metoden spänningsekvivalenten integre- rad över hela banbredden, vilket exempelvis lämnar spän- 3 463 051 ningsprofilen odefinierad. Vidare förblir spännings- topparna, som får banan att brista, odetekterade.

I den tredje metoden enligt det finska patentet måste till följd av audiofrekvenssignalen även mikrofonerna vara avstämda till samma frekvensområde, vilket medför väsentliga signal/brusproblem till följd av att, vilket är känt, omgivningarna till en pappersmaskin innehåller extremt högt akustiskt buller, speciellt inom detta frekvensområde, vilket exempelvis medför överbelastning av mikrofonerna. Dessutom kommer detekteringen av en följd signaler medelst mikrofoner även att detektera den direkta akustiska signalen från högtalaren via luften, vilket orsakar svåra störningar på mätningen. Å andra sidan indikerar praktiska test av sättet enligt den ame- rikanska patentskriften att membranvâgor ej kan utbreda sig i ultraljudsområdet, vilket gör funktionen hos anord- ningen enligt det amerikanska patentet omöjlig. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att övervinna nackdelarna samhörande med tidigare känd teknik som be- skrivits ovan och att uppnå ett helt nytt sätt och en ny anordning för kontaktlös mätning av spänning i en pappers- bana.

Uppfinningen är baserad på en membranvâg som vid en lämp- lig frekvens tillföres pappersbanan från en högtalare eller en ekvivalent anordning, medan vågutbredningshas- tigheten detekteras med optiska detektorer monterade nära banan för detektering av den fysiska vibrationen hos banan, då membranvâgen passerar observationspunkten. Då avståndet för den optiska detekteringspunkten från vägens startpunkt är känd kan våghastigheten exakt beräknas från den uppmätta utbredningstiden. I praktiken utnyttjar man lämpligen två optiska detekteringspunkter, med känt in- bördes avstånd. 463 051 4 Mer speciellt karakteriseras sättet enligt föreliggande uppfinning av vad som anges i den kännetecknande delen av krav 1.

Anordningen enligt föreliggande uppfinning karakteriseras vidare av vad som anges i den kännetecknande delen av krav 7.

Uppfinningen ger utomordentliga fördelar.

Sättet och anordningen i enlighet med uppfinningen elimi- nerar alla störningar från omgivande brus och direktljud från högtalaren. Den optiska detekteringsmetoden förbätt- rar sâledes avsevärt signal/brusförhâllandet och möjlig- gör utnyttjandet av anordningen även i sådana sammanhang där tidigare kända metoder skulle vara helt oanvändbara.

Uppfinningen beskrivs i detalj med hjälp av de på bifo- gade ritningar visade exemplifierande utföringsformerna.

Fig. 1 visar i en schematisk delsidovy en mätutrustning i enlighet med uppfinningen.

Fig. 2 illustrerar en detalj i mätutrustningen visad i fig. 1.

Fig. 3 visar i en schematisk sidovy en annan utförings- form av mätutrustningen i enlighet med uppfinningen.

Fig. 4 visar i en delvis uppskuren perspektivvy en tredje utföringsform av mätutrustningen i enlighet med uppfin- ningen.

Fig. 5 visar i en sidovy en fjärde utföringsform av mät- utrustningen i enlighet med uppfinningen, i vilken membran- vågen görs synlig med hjälp av en interferensalstrande glasplatta.

Cl s~ 463 051 Fig. 6 illustrerar en detalj i anordningen visad i fig. 5.

Fig. 1 visar ett möjligt utförande av en anordning i en- lighet med uppfinningen. Med hjälp av en helium-neonlaser 5 och halvgenomskinliga speglar bildas punktliknande ljus- mönster 4 på en pappersbana 1 genom att med hjälp av speg- lar 6 rikta laserstrålen vinkelrätt mot pappersbanans 1 yta. En högtalare 3 utnyttjas för att generera intensiva ljudimpulser, som inducerar en membranvåg 2 i pappersbanan 1, vilken utbreder sig med en hastighet relaterad till kvadratroten för banspänningen. Membranvågen 2 utbreder sig från högtalaren 3 i båda riktningarna från ljudkällan 3. Positionen för det punktformade ljusmönstret 4 på banan detekteras av en lägeskänslig detektor 8, vars optiska axel bildar en vinkel med en strâle 10 som foku- seras på banan och ljusmönstret 4 fokuseras på detektorn 8 med hjälp av ett lämpligt optiskt system 7. Fig. 2 illustrerar mer detaljerat avbildningen av ljusmönstren P och P' i form av bildpunkter P och P' på ett bildplan 11.

Då banan 1 är förskjuten till följd av vibrationen från dess jämviktsläge P till en ny position P' förskjutes samtidigt läget för bildpunkten P på bildplanet 11 till positionen P'. Den lägeskänsliga detektorn 8 detekterar rörelsen hos ljuspunkten 4 som orsakats av membranvågen 2 såsom en periodisk signal, vars frekvens är densamma som frekvensen hos membranvågen 2. Den avlänkade bildpunkten visas i figuren med en streckad linje.

Utsignalen från den positionskänsliga detektorn 8 till- föres en elektronikenhet 9, i vilken den erhållna signa- len utnyttjas för bestämning av membranvågens 2 utbred- ningshastighet, från vilken spänningen hos banan 1 kan be- räknas.

I den enklaste utföringsformen kan hastigheten hos vågen 2 definieras med hjälp av en detektor 8. Detta kräver 465 051 6 information som erhålles från banhastigheten. Vägens hastighet kan bestämmas från förhållandet mellan av- ståndet mellan ljudkällan 3 och detektorn 8 och den tid det tar för vågen 2 att utbreda sig över detta avstånd.

Fig. 1 visar spegelarrangemanget, som åstadkommer totalt fyra ljuspunkter på banan 1. Genom att utnyttja en andra detektor 8 för den ljuspunkt 4 som är belägen närmast lasern 5 uppnås ytterligare fördelar. Detta medger att membranvågor 2 som utbreder sig i motsatta riktningar kan detekteras. Genom att uppmäta hastigheterna för båda vågorna 2 på ovan nämnt sätt och bildande av det aritme- tiska medelvärdet för dessa hastigheter kan effekten av banans 1 hastighet elimineras i mätresultaten.

Fig. 3 visar ett arrangemang i vilket ljusstrâlen riktas snett från ljuskällan 5 mot pappersbanan 1, varvid även den optiska axeln för den lägeskänsliga detektorn 8 bil- dar en vinkel med pappersbanan 1. I praktiken kan vinkeln för den optiska axeln för såväl ljuskällan 5 som detektorn 8 relativt pappersbanan 1 väljas inom ett stort område i beroende av omständigheterna.

Fig. 4 visar en anordning i vilken tre ljuspunkter 4 for- mas på en bana 1, så att lasern 5 först genererar en ljusstråle, vilken via ett första prisma 12 och ett andra prisma 13 styrs till de tre halvgenomskinliga speglarna 6.

Speglarna 6 riktar ljusstrâlen 10 i sned vinkel mot pappersbanans 1 yta. Högtalaren 3 genererar en membran- våg 2 på pappersbanan 1. Vågen 2 åstadkommer en vertikal avlänkning av banan 1, vilken vidare åstadkommer en hori- sontell avlänkning av ljusmönstret 4. Avlänkningen detek- teras av en positionskänslig detektor 8, vilken även innefattar erforderlig optik för fokusering av ljuspunk- ten 4 på detektorns avkänningsorgan. Det finns tre detek- torer 8 med den optiska axeln för varje detektor riktad vinkelrätt mot pappersbanan 1. Detektorerna 8 är så pla- 7' 465 051 cerade, att de befinner sig i linje med varandra i för- hållande till pappersbanans 1 riktning genom maskinen, varvid en detektor 8a är belägen i den ankommande rikt- ningen för banan 1 i förhållande till högtalaren 3 och de två andra detektorerna 8b, 8c är belägna i den ut- gående riktningen för banan i förhållande till högtala- ren 3. Med hjälp av detektorerna 8a och 8b kan detta arrangemang eliminera effekten av banans hastighet på mätresultatet på ovan beskrivet sätt. Detektorn 8c funge- rar i samverkan med detektorn 8b, så att en inom matema- tiken känd korrelationsmetod kan utnyttjas för bestämning av membranvågens hastighet. I denna metod genererar membranvågen 2 som utbreder sig i löpriktningen för banan 1 från högtalaren 3 en signal i detektorn 8b. Efter en stund detekterar detektorn 8c samma (eller i det närmaste samma) signal. Båda signalerna lagras i ett minne, exem- pelvis i ett halvledarminne. Såsom beskrivits ovan lagrar således minnesenheterna två tidsberoende funktioner, vilka är närmast lika till sin form. En korskorrelations- funktion genomföres sedan utgående från dessa funktioner, exempelvis med utnyttjande av en dator. Förhållandet mel- lan avståndet mellan detektorerna 8b och 8c till tidsför- skjutningen T, som erhålles från korrelationsfunktionen, ger våghastigheten (ej korrigerad för banans hastighet) för membranvågen 2. Den beskrivna metoden är speciellt fördelaktig då vågformen hos membranvågen är distorderad, i vilket fall enklare metoder är ineffektiva.

Fig. 5 visar ett alternativt förverkligande enligt vilket ljuset som genereras av en laser 5 expanderas av en strål- expander 14 och kollimeras av en samlingslins 15 till en koherent planvâg 16. Planvågen 16 infaller på en kilfor- mad polerad glasplatta 17, varvid planvågen, då den re- flekteras från varje ytenhet hos glasplattan 17, kombine- ras till ett kamliknande interferensmönster 19, vilket projiceras snett mot pappersbanan 1. Variationerna hos ytan uppträder därvid som minima och maxima hos det pro- 463 051 a jicerade interferensmönstret, vilka kan detekteras med hjälp av exempelvis en radkamera 18, se fig. 6.

Helium-neonlasern som ljuskälla i utföringsformerna en- ligt fig. 1-3 kan ersättas exempelvis medelst en s.k.

LED-lampa (halvledaremitter eller en ekvivalent ljuskälla) av högeffekttyp, vilken är liten och vars ljus kan foku- seras till en tillräckligt liten punkt på pappersbanan 1.

Sättet för alstring av en liten ljuspunkt är emellertid ej väsentligt för föreliggande uppfinning och represente- rar ej någon nyhet i uppfinningen. Positionskänsliga detektorer är vidare kommersiellt tillgängliga och därför beskrivs dessas karakteristik ej här mer detaljerat.

Ljudkällan kan exempelvis utgöras av en högtalare, en av komprimerad luft driven visselpipa eller liknande. Dessa alternativ representerar standardlösningar då de utnytt- jade frekvenserna är av storleksordningen 100-500 Hz.

Förutom för pappersbanspänning kan föreliggande uppfinning utnyttjas för mätning av spänning i andra tunna foliemate- rial. Mätapparaturen är speciellt tillämpbar för mätning av spänning i mycket tunna plast- och metallfolier.

Fördelen med uppfinningen är att i enlighet med de fysi- kaliska formler som utnyttjas elastisitetsmodulen (Young's modulus) för materialet ej har någon inverkan på mätningen utan membranvâgens hastighet är snarare endast beroende på ytvikten och spänningen hos det tunna materialet som utnyttjas.

Förutom för användning i pappersmaskiner kan mätapparatu- ren utnyttjas i saxar för längdskärning, pressanordningar och tryckningsmaskiner. Vidare kan uppfinningen tillämpas vid maskiner avsedda för produktion av plastbaserade magne- tiska band eller av mycket tunna metallfolier.

Claims (10)

(fl C) 0"! Patentkrav

1. membran (1), varvid en membranvåg (2) alstras av ett om- Sätt för mätning av en spänning i ett tunt, plant vandlarelement (3), exempelvis en högtalare (3), hastig- heten hos membranvågen (2) uppmätes, mätvärdet för has- tigheten hos membranvågen (2) kvadreras och multipliceras med ytvikten för membranet (1) för att bestämma membra- nets spänning, k ä n n e t e c k n a t av att en ljus- stråle (10) alstras av åtminstone ett ljusemitterande element (5), att varje ljusstråle (10) inriktas med hjälp av inriktningsorgan (6 eller 14, 15, 17) på membra- net (1) för att generera en ljuspunkt (4 eller 19), att ljuspunkten (4 eller 19) som bildas på membranet (1) om- vandlas till en elektrisk signal beroende på läget för ljuspunkten (4 eller 19) medelst åtminstone ett detektor- element (8 eller 18) för att bestämma membranvågen (2), och att signalen behandlas i ett signalbehandlande ele- ment (9) för att bestämma membranvågens (2) hastighet.

2. att det ljusemitterande elementet (5) är en laser. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av

3. att det ljusemitterande elementet (5) är en ljusemitte- Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av rande diod eller ekvivalent halvledaremitter.

4. t e c k n a t av att ljusstrålen (10) är riktad approxi- Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e- mativt vinkelrätt mot planet för membranet (1) för att detektera läget för ljuspunkten (4) i det vertikala pla- net med hjälp av detektorelementet (8).

5. Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k- n a t av att ljusstrålen (10) är riktad snett mot pla- net för membranet (1) för att detektera avlänkningen av ._-\ 463 051 10 ljuspunkten (4) med hjälp av detektorelementet (8).

6. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att ljusstrâlen som emitteras från lasern (5) expande- ras av en strâlexpander (14) och kollimeras av en sam- lingslins (15) för att alstra en koherent planvåg (16) som riktas mot en interferensalstrande kilformad glas- platta (17) för att rikta ljuset utsatt för interferens mot membranet (1), och att en radkamera (18) utnyttjas för alstring av en elektrisk signal från interferens- punkten (19) som utbildas på membranet.

7. Anordning för mätning av spänningen i ett tunt, plant membran (1), innefattande ett omvandlarelement (3), exempelvis en högtalare, för alstring av en membranvåg (2), k ä n n e t e c k n a d av ett ljusemitterande element (5), vilket kan utnyttjas för alstring av en ljusstråle (10), organ (6 eller 14, 15, 17) med hjälp av vilka ljusstrâlen (10) kan riktas mot membranet (1) i en ljuspunkt (4 eller 19), åtminstone ett detektorelement (8 eller 18) med hjälp av vilket ljuspunkten (4 eller 19) kan omvandlas till en elektrisk signal i beroende av läget för ljuspunkten (4 eller 19) för att bestämma membranvâgen (2), och lämpliga element (9) för behandling av den ovan angivna elektriska signalen för att bestämma membranvågens (2) hastighet.

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att en laser utnyttjas som ljusemitterande element (5).

9. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att det ljusemitterande elementet (5) är en ljus- emitterande diod eller ekvivalent halvledaremitter.

10. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en strâlexpander (14) och en sam- 463 051 11 lingslins (15) med hjälp av vilka en koherent planvåg (16) kan bildas, en glasplatta (17) med hjälp av vilken den plana vågen (16) kan riktas mot membranet (1) för att alstra en interferenspunkt (19) relaterad till membranvågen (2), och en radkamera (18) med hjälp av vilken interferenspunkten (19) kan omvandlas till en elektrisk signal.