SE504576C2 - Anordning för att med ultraljud mäta de elastiska egenskaperna hos en pappersbana i rörelse - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 sve 2 innehåller sändare och mottagare för ultraljudsvågor. Dessa hjul roteras av en pappersbana i rörelse, vilket kräver en direkt fysisk kontakt mellan hjulen och banan. Ultraljudshas- tigheten bestäms vanligtvis av fördröjningstiden hos en ultraljudsignal mellan den ifrågavarande sändaren och motta- garen.

För att erhålla en rimlig mätnoggrannhet måste hjulen synkro- niseras, vilket gör systemet extremt komplicerat och otill- förlitligt. Ett arrangemang, beskrivet i US 4,688,423, över- vinner denna nackdel genom att använda sändare av skivtyp, vilka kan exciteras kontinuerligt, varigenom synkronisering av hjulen icke är nödvändig. Emellertid behöver de arrange- mang, som beskrivs i de ovan nämnda patentskrifterna, en direkt mekanisk kontakt mellan ultraljudssändarna och banan.

I en papperstillverkningsmaskin vibrerar den i snabb rörelse befintliga banan i den riktning, som är normal mot banytan, vilket ger en slumpmässigt ändrande kraft, som matas till hjulen. Amplituden hos exciterade och mottagna ultraljudsvå- gor beror på trycket mellan ifrågavarande ultraljudssändare_ och banan, på grund av den slumpmässigt ändrande kraften, vilket därigenom gör mätresultaten mindre exakta.

Den fysiska kontakten med banan behövs icke, om ultraljudsvå- gor exciteras och detekteras optiskt, såsom beskrivs i US 4,025,665. Ultraljudsvågor i pappersbanan genereras medelst en laser. Denna våg detekteras på ett bestämt avstånd från exciteringspunkten medelst en annan laserstråle, som reflek- teras från banan. Hastigheten hos ultraljudsvågen erhålles från den uppmätta fördröjningstiden mellan exciteringsmomen- tet och tiden för vågens ankomst.

Nackdelen med detta optiska system är, att amplituden hos de ultraljudsvågor, som fortplantas inom banan, är mycket små.

Ett mycket starkt akustiskt buller finns vid papperstillverk- ningsmaskiner, vilket beledsagas av vibrationerna i den i rörelse befintliga Väven. I själva verket gör detta den optiska detekteringen av de symmetriska Lamb-vågorna av 10 15 20 25 30 35 504 576 3 lägsta ordningen omöjlig, och endast dessa vågor är lämpliga för mätningar av styvheten och draghållfastheten hos papper.

Andra tidigare direktmätande pappersmätningssystem beskrivs i de sovjetiska patenten nr 489018 och 489036 och beskrivs i publikationen av Kazys (uppfinnaren för föreliggande upp- finning), Proceedings of 20th international conference of ultrasound, Prag, 1976, 192-194. Ultraljudshastigheten i en pappersbana under rörelse bestämdes genom att excitera en bredbandig, brusliknande ultraljudsvåg medelst torrfriktion, mottagning av den ultraljudsvåg, som återutsänds av banan sid. genom två icke-berörande ultraljudsmottagare och beräkning av korskorrelationsfunktionen mellan dessa två mottagna signa- ler. Den första mottagaren placerades mittemot ultraljudssän- daren och den andra på ett bestämt avstånd från sändaren utmed banan.

För att förbättra signal/brusförhållandet var en roterande cylinder placerad under banan nära den andra ultraljudsmotta- garen. Fördröjningstiden bestämdes ur fördröjningen av topp- Fördelen med detta att det icke hade värdet hos korskorrelationsfunktionen. system jämfört med de ovan beskrivna var, några rörliga eller roterande delar.

Nackdelarna med det i de ovan nämnda ryska patenten beskrivna systemet är, att excitering och mottagning av ultraljudsvå- gorna utföres från motsatta sidor av pappersbanan. Dessutom är brusförhållandet icke tillräckligt högt för att tillåta tillförlitliga, kontinuerliga mätningar under drift i en fabriksomgivning. Ett annat problem, som man måste räkna med vid utförande av mätningar i andra riktningar än maskinrikt- ningen, är att t.o.m. värre signal/brusförhållande erhålles då på grund av de högre ultraljudsförlusterna i ett anisotro- piskt material.

Huvudsyftet med uppfinningen är att åstadkomma ett system för direkt mätning med åtkomst från en sida av pappersbanan för att åstadkomma mätningar med olika riktningar inom en bana i rörelse. 10 15 20 25 30 35 504 576 4 Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett di- rektmätande system med förbättrad härdighet mot buller för systemet i en pappersfabriksomgivning.

Ytterligare ett annat syfte är att åstadkomma ett direkt- mätande system, som är okänsligt för damm. Ännu ett syfte är att åstadkomma ett direktmätande system, som ger väl definierade och exakta mätresultat.

Dessa syften uppnås med ett system med de kännetecknande egenskaper, som beskrivs i huvudkravet. Ytterligare egenska- per och utvecklingar av uppfinningen beskrivs i underkraven.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen löser problemen förknippade med det tidigare kända och andra problem genom att åstadkomma ett system för kontinuerliga mätningar av hastigheten hos ultraljudsvågor i en pappersbana under rörelse. Detta åstadkommes genom att excitera en bredbandig Lamb-våg av brustyp i banan genom att ha ultraljudsvågkällan och alla ultraljudsmottagarna placera- de på bara ena sidan av banan. Den bredbandiga, brusliknande Lamb-vågen i pappersbanan genereras medelst torrfriktion mellan den i rörelse befintliga banan och friktionshuvudet.

Systemet har inga rörliga delar, och alla signalerna mottas av icke berörande medel.

Fördröjningstiden för ultraljudsvågen bestämmes företrädesvis såsom en nollgenomgång för Hilbert-transformen av de mottagna signalernas korskorrelationsfunktion svarande mot korskorre- lationsfunktionens maximivärde. åstadkomma ett lågt signal/brusförhållande, utföres mottagningen av de För att göra systemet robust mot buller, dvs. återutsända ultraljudsvågorna ovanför en roterande cylinder i en papperstillverkningsmaskin vid den speciella positionen med avseende på den linje, där banan under rörelse gör meka- nisk kontakt med cylindern för första gången. Uppfångningen görs företrädesvis av två mikrofoner med ett sådant avstånd 10 15 20 25 30 35 504 576 från varandra, att luftburna ultraljudsvågor från friktions- 5 huvudet minskas, och ultraljudsvågor, som fortplantas genom pappersbanan, förstärks.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING För en mer fullständig förståelse av uppfinningen och för ytterligare egenskaper och fördelar med den görs nu referens till följande beskrivning gjord i samverkan med de bifogade ritningarna, där: fig. 1 illustrerar schematiskt ett tidigare känt mätsystem, fig. 2 illustrerar schematiskt en första utföringsform av ett mätsystem enligt uppfinningen, fig. 3A och 3B illustrerar olika friktionshuvud/mikrofon- kombinationer, 4B och SA, SB och 6A, föringsformer av friktionshuvud- och mikrofon- fig. 4A, 6B illustrerar olika ut- enheter, fig. 7A illustrerar schematiskt en sidovy av en andra utföringsform av ett mätsystem enligt uppfinningen, fig. 7B och 7C illustrerar en schematisk vy uppifrån av två utföringsformer av systemet i fig. 7A med möjlighet att mäta ultraljudshastigheten i olika riktningar, fig. 7D illustrerar en graf för att åstadkomma ett extra- polerat värde av ultraljudshastigheten i tvärrikt- ningen, och fig. 8A-SB visar diagram på signaler åstadkomma vid olika arbetssteg vid sökning efter fördröjningstiden hos den ultraljudsvåg, som transmitteras genom pappers- banan, fig. 9 är en flödesplan för behandlingsoperationen för att åstadkomma fördröjningstiden hos ultraljudsvågen inom pappersbanan.

Samma referenser används för samma element i figurerna.

Med hänvisning till fig. 1 innefattar en tidigare känd di- rektmätande pappersmätningsanordning angiven i det sovjetiska patentet 489018 ett friktionshuvud 1, som är placerat på ena 10 15 20 25 30 35 504 576 6 sidan av en pappersbana 2 under rörelse och som genererar en brusliknande ultraljudsignal vw som resultat av en torrfrik- tion mellan huvudet 1 och banan 2. En slumpmässig signal med normalfördelningsfunktion på upp till 70-90 kHz exciteras.

Den del av denna signal vw, som fortplantas i pappersbanan 2 såsom den symmetriska Lamb-vågen so av nollte ordningen, är den, som är intressant att undersöka. Den exciterade vågen återutsänds partiellt till den omgivande luften och uppfångas av en icke-berörande referensmikrofon Micl, som är placerad mittemot huvudet 1 på andra sidan om banan 2, och av en icke- berörande uppfångningsmikrofon Mic2, och som är placerad på samma sida av banan som referensmikrofonen Micl men på ett bestämt avstånd från, t.ex. nedströms från, huvudet 1 utmed banan i dess rörelseriktning, nedan kallad "maskinriktning- en". För att få en förbättrad återutsändning av den fort- plantande vågen från banan till luften uppbärs banan 2 av en roterande cylinder 3 mittemot uppfångningsmikrofonen Mic2.

Signalerna från mikrofonerna Micl och Mic2 matas till en behandlingsenhet 4', som korrelerar de båda signalerna för att utvinna fortplantningstiden genom banan, så att ultra- och resul- ljudsvågens hastighet i pappersbanan kan beräknas, taten presenteras på en visningsenhet 5'. i vilket alla samma sida om en papepsbana, många Ur kommersiell synpunkt har ett mätsystem, enheter är placerade på det för att genomföra den enkelsidiga fördelar. Emellertid är accessen nödvändigt att övervinna en hel del problem. 1. I enlighet med tidigare kända kunde referens- mikrofonen icke sättas på samma avstånd från en signalkälla som upptagningsmikrofonen från en pappersbana, eftersom både referensmikrofonen och signalkällan måste vara placerade på samma sida om banan. Av samma skäl kunde referensmikrofonytan vanligtvis icke vara vinkelrät mot fortplantnings- riktningen hos signalen i luft, och detta orsakade en signifikant reduktion i ett normaliserat kors- korrelationsfunktionsvärde (covarians) eller en förvrängning av dess form. 10 15 20 25 30 35 7 504 576 2. Läget hos signalkällenheten och både referensmikro- fonen och den mottagande mikrofonen för de vågor, som fortplantats längsmed banan på samma sida, alstrar en direkt våg, som fortplantas i luft, som är mycket kraftigare än vid fallet med tillträde på två sidor, på grund av att det icke finns någon skärmning av luftburna vågor, eftersom då pappers- banan icke skärmar de luftburna ultraljudsvågorna.

Den minskar även den grad av korrelation mellan de utsända och mottagna signalerna. 3. Friktionshuvudet orsakar en förslitning av pappret och avskrapar fibrer, vilket producerar damm. Om det placeras på samma sida om banan som mikrofo- nerna kommer detta damm att transporteras till mikrofonerna, vilket märkbart kommer att reducera deras känslighet och distordera deras frekvenssvar, om samma slags friktionshuvuden användes såsom i det tidigare kända.

Därför åstadkommes ett nytt slags friktionshuvud 4 anpassat till en referensmikrofon M1 i enlighet med uppfinningen schematiskt illustrerad i de utföringsformer av uppfinningen som visas i fig. 2 och 6.

Den huvudsakliga egenskapen hos kombinationen av friktionshu- vudet 4 och referensmikrofonen M1 är, att friktion och mikro- fonelement är anordnade symmetriskt mot varandra. Detta innebär att det skulle kunna finnas ett friktionselement och ett jämnt antal mikrofonelement anordnade symmetriskt i förhållande till friktionselementet, så att mikrofonerna i varje par har samma avstånd till friktionselementet, eller så kunde det finnas ett mikrofonelement och ett jämnt antal friktionselement placerade omkring mikrofonelementet. Frik- tionselementen har företrädesvis en nästan punktformig kon- takt med pappersbanan.

Fig. 3A visar en första utföringsform av friktionshuvud/- referensmikrofon-kombinationen, i vilken ett element A av det 10 15 20 25 30 35 504 576 8 första slaget är anordnat mellan tvâ element Bl, B2 av det andra slaget. Fig. 3B visar en annan utföringsform, i vilken ett element A' av det första slaget är omgivet av fyra ele- ment Cl, C2 och D1, D2 av det andra slaget, där varje par Cl, C2 och D1, D2 är placerade diagonalt i förhållande till dett första slaget av element A'. Ur praktiskt synpunkt är elemen- tet A eller A' det då icke är nödvändigt att balansera signalerna från flera företrädesvis ett mikrofonelement, eftersom element. Emellertid kommer friktionselementen att orsaka damm i omgivningen, och mått måste vidtas för att minimera in- flytandet av damm på mikrofonen eller mikrofonerna. Sålunda 3A, att ha en mikrofon mellan tvâ punktlika friktionselement placerade är den föredragna utföringsformen, visad i fig. utmed en linje vinkelrät mot maskinriktningen, dvs. pappers- banans rörelseriktning. Om fler än två friktionselement är anordnade, måste de alla vara placerade vid sidan av en linje genom ett ultraljudsmottagande element hos referensanord- ningen riktad i den i rörelse befintliga pappersbanans mas- kinriktning för att hindra damm från att komma direkt på mikrofonen.

Tre utföringsformer av enheten med friktionshuvud och refe- rensmikrofon med den ovan nämnda föredragna konfigurationen 4B respektive SA, SB, respektive 6A, GB. 4A, 5A och 6A visar det verkliga utseendet hos enheter- visas i fig. 4A, Fig. na, när en brusskärm är anordnad för att minimera luftburna ljudvågor från att nå mikrofonen, och fig. 4B, 5B och 6B visar enheterna utan brus eller bullerskärm.

Två friktionsdelar 6, 4B, 8, 9 i fig. SB, och 10, 11 i fig. 6B är placerade på sådant sätt, att deras kontaktpunkt 7 i fig. med pappersbanan är anordnad på vardera sidan om referensul- traljudsmikrofonen 13 respektive 14 respektive 15 utmed en linje vinkelrät mot pappersbanans maskinriktning. Friktions- delarna är företrädesvis gjorda av ett hårdlegeringsmaterial, t.ex. volframkarbid. Friktionsdelarna hålls av en hållare 16 respektive 17 respektive 18. 10 15 20 25 30 35 504 576 9 Avståndet D mellan friktionsdelarna är mycket mindre än våglängden hos ultraljudsvågen i pappersbanan. Dessutom är dimensionerna hos kontaktareorna mellan friktionsdelarna och pappersbanan mindre än våglängden hos ultraljudsvågen i pappersbanan. Sålunda verkar denna slags friktionskälla väsentligen såsom en tvåpunktskälla. Avståndet mellan kon- taktareorna och referensmikrofonplanet är jämförtbart med våglängden i luft för de genererade ultraljudsvågorna (för fo=40 kHz, Äa/2=4,3 mm, där fo är signalspektrumets mitt- frekvens, och ka är mittfrekvens våglängd i luft).

De i pappersbanan av friktionsdelarna åstadkomna signalerna fångas av referensmikrofonen M1, som är anordnad så nära som möjligt vid mittpunkten mellan friktionsdelarna. För att minska de vågor, som utsänds icke av kontaktarean av frik- tionsdelarna, och sänds genom luften till referensmikrofonen M1, är brus- eller bullerskärmen 19 respektive 20 respektive 21 placerad omkring friktionsdelarna och hålls av deras hållare och är försedd med en öppning anordnad att hålla referensmikrofonen på plats. Brus- eller bullerskärmen skyd- dar också mikrofonen från åtminstone en del av det damm, som fås av friktionen mellan delarna och pappersbanan, och denna effekt förbättras, om brus- eller bullerskärmen har sina sidor vända mot mikrofonen något närmare mot pappersbanan än deras yttersidor, vilket sålunda riktar dammet utåt.

Var och en av de båda delarna 6, 7 av friktionshuvudet i fig. 4A och 48 har en triangulär form med sin bas vinklad mot pappersbanan. Detta friktionshuvud åstadkommer det bästa de båda är utformade mätresultatet men skrapar pappret. Var och en av delarna 8, 9 i friktionshuvudet i fig. 5A och SB såsom hemisfärer, vilka har en väsentligt mindre ogynnsam effekt på pappersbanan än huvudet i fig. 4A, 48; mätresulta- tet är emellertid tillfredsställande men icke så från huvudet 6, 7. Friktionsdelarna 8, 9 är gjorda av hård legering och innefattar toppar, som gör kontakt med pappers- banan, täckta av ett material, som absorberar ultraljudsvå- gott som gor, t.ex. ett mjukt gummi. Var och en av de två friktions- delarna ll, 12 i friktionshuvudet i fig. 6A och 6B är ut- 10 15 20 25 30 35 504 576 formade såsom rundade stift vinklade mot pappersbanan och 10 skulle kunna betraktas såsom en kompromiss mellan de andra båda utföringsformerna av friktionshuvud beträffande skrap- ning av pappersbanan och åstadkommande av väl särskiljbara signaler genom pappersbanan.

Med återgång till fig. 2, signaldelen av ultraljudsvågen vw transmitterad genom pappersbanan och av intresse att indike- ras är den so-vågsignal, som svarar mot de symmetriska Lamb- vågorna av nollte ordningen, som fortplantar sig i pappers- banan 2, dvs. den våg som fortplantar sig snabbast. Den från pappersbanan återutsända sø-vågen uppfångas av en uppfång- ningsmikrofon M2 placerad mittemot den kontaktlinje Cl mellan de roterande cylindern och pappersbanan 2, från vilken den bästa återutsändningen till luften av den i banan fortplanta- de s -vågen åstadkommes.

O Den laterala dimensionen hos uppfångningsmikrofonen M2, och också hos referensmikrofonen M1, är mindre än 10 gånger mindre än en våglängd hos ultraljudsvågen i pappersbanan, och mikrofonerna är placerade med ett avstånd från banan, som är mindre än en våglängd hos den ultraljudsvåg s som återsänds från banan till luften.

OI Brus eller buller sänds också i luften från den kontaktlinje C2, där banan 2 först möter cylindern 3. Detta brus eller buller bör företrädesvis undertryckas så mycket som möjligt, och därför är en brus- eller bullerundertryckande skärm 25, t.ex. gjord av gummi, anordnad omkring mikrofonen M2 och skyddar den mot bruset eller bullret från kontaktlinjen C2 och också från omgivande buller eller brus. Sålunda är dess kant närmast linjen C2 placerad nedströms om denna linje.

Skärmen har en liten innerdiameter, så att mikrofonen M2 är placerad nära dess inre kant.

För att få en extra skärm för mikrofonen M2 både beträffande luftburet brus eller buller från friktionshuvudet och mot damm från det, är ett antal skärmar 26 anordnade ovanför 10 15 20 25 30 35 504 576 pappersbanan mellan mikrofonen M1 och den roterande cylindern 3. 11 Signalen från referensmikrofonen M1 matas till en första ingång på en processor 27 via en förstärkare 28 och ett bandpassfilter 29. Signalen från uppfångningsmikrofonen M2 matas till en andra ingång på processorn 27 via en förstärka- re 30 och ett bandpassfilter 31. Processorn 27 kommer att göra en korskorrelationsoperation på signalerna från de båda mikrofonerna. Företrädesvis kommer denna operation att in- nefatta en Hilbert-transform. Ett exempel på detta slags operation kommer att ges nedan i samband med den utförings- form, som visas i fig. 7. Det exempel, som ges där för den något mera komplicerade utföringsformen, bör lätt kunna ändras till att anpassas till utföringsformen i fig. 2 av en fackman.

I enlighet med uppfinningen är mått vidtagna för att för- bättra signal/brusförhållandet hos de korrelerade signalerna speciellt i en brusig eller bullrig omgivning. Därför, i enlighet med en andra utföringsform av uppfinningen, visad i fig. 7A, är en dubbelkanalig, mätande mottagningsmikrofon- anordning anordnad att mottaga den våg, som fortplantas längs med pappersbanan 2. Det bör emellertid observeras att fler än två uppfångningsmikrofoner kan anordnas i enlighet med upp- finningen.

I den andra utföringsformen av uppfinningen är minst två uppfångnings-ultraljudsmikrofoner Mic2A och Mic2B, vilka är uppfångningsmottagarnas uppfångningselement, placerade med ett avstånd lm från varandra, vilket avstånd är valt att vara en halv våglängd av vågen i luft vid mittfrekvensen i band- bredden hos den ultraljudsvåg, som transmitteras genom banan.

Mikrofonen Mic2A är placerad mittemot kontaktlinjen Cl.

Mikrofonen Mic2B är placerad på den sida om mikrofonen Mic2A, som är vänd bort från friktionshuvudet 4.

Sålunda baserar sig arbetsprincipen på en skillnad hos ultra- ljudshastigheter i luft (va=343 m/sek) och papper (vsO=1,5-4 10 15 20 25 30 35 504 576 km/sek). Signalerna vid mikrofonernas Mic2A och Mic2B ut- 12 gångar ges av: u2a=yS+ya(t>+nmd+n0a u2b(c)=ks*ys(t-Ars)+ka*ya(t-Ana)+xn*nmd(t+Ata)+nob(t) där u2a(t) och u2b(t) är de kompletta vågsignalerna vid de respektive mikrofonernas Mic2A och Mic2N utgång, ys(t) är so- vågsignalen vid utgången på mikrofonen Mic2A, ya är den luftburna vågen, som genereras av friktionshuvudet, nmd är det brus eller buller, som fortplantar sig utmed maskinrikt- ningen vid utgången på mikrofonen, noa(t) och n0b(t) är elektroniskt brus och omgivande brus eller buller, som fort- plantar sig utmed andra riktningar än maskinriktningen, k k a mikrofonerna Mic2A och Mic2B för de ifrågavarande vågorna, s! och kn är de koefficienter, som återspeglar asymmetrin hos Ats=lm/vso är fördröjningstiden hos s -vågen mellan mikrofo- 0 nerna Mic2A och Mic2B, och Ata=lm/va är tidsfördröjningen hos luftburna vågor mellan mikrofonerna Mic2A och Mic2B som fortplantar sig utmed maskinriktningen.

På grund av avsevärda skillnader i ultraljudshastigheter inom pappersbanan och i luft, blir Ats< t0=l/fo, där fo är mittfrekvensen i signalspektrumet. Därför är spektralkomponenterna med frekvenser lika med eller nära frekvensen fo approximativt: ys=ys Ya(t)”'Ya(t-Äta) nmd(t)z-nmd(t+Ata) Då ger addition mellan signalerna från de två mikrofonerna Mic2A och Mic2B följande resultat: uz(t)=u2a(t)+u2b(t)=(1+ks)*ys(t)+(1-ka)*ya(t)+(1-kn)*nmd(t)+- n0a(t)+n0b(t) Koefficienterna ks, ka, kn tivt: är nära 1, vilket ger approxima- u2(t)=2*ys(t)+aaya(t)+ennmd(t)+[n0a(t)+nOb(t)] där sa och en är mycket lägre än 1, vilket indikerar att amplituden hos s -vågsignalen förstärks två gånger och ampli- O tuden hos den våg, som fortplantar sig i luft utmed maskin- 10 15 20 25 30 35 504 576 13 riktningen från friktionshuvudet är väsentligt reducerad, liksom det brus eller buller, som fortplantar sig i maskin- riktningen. Elektroniskt brus eller brus, som anländer från riktningar andra än maskinriktningen, är icke undertryckta och adderas såsom partiellt korrelerade eller okorrelerade slumpmässiga processer.

Det bör observeras av avståndet lm mellan uppfångningsmikro- fonerna skulle kunna väljas på annat sätt, men då kommer de ovan angivna ekvationerna och kombinationerna av dem att ändras. Det huvudsakliga särdraget vid valet av avstånd är, att termen ys(t) ökas väsentligt och termen ya(t) reduceras väsentligt vid kombinationen.

Dessutom, såsom i utföringsformen i fig. 2, finns en brus- reducerande skärm 35, t.ex. av gummi, placerad omkring mikro- fonerna Mic2A och Mic2B för att reducera bruset eller bullret från de brusiga eller bullriga omgivningarna. Skärmen 35, som har samma funktion som skärmen 25 i den i fig. 2 visade utföringsformen har företrädesvis formen hos en undre sida anpassad till formen hos pappersbanan, när den föres över den roterande cylindern 3, och har sin vägg placerad helt nära mikrofonerna Mic2A och Mic2B.

Med hänvisning nu till en utföringsform med uppfångnings- mikrofonerna placerade med en halv våglängd hos den luftburna ultraljudsvågen från varandra för att uppskatta hastigheten hos so-vågen torde en korskorrelation göras på signalerna från referensmikrofonen M1 och de adderade signalerna från de båda uppfångningsmikrofonerna Mic2A och Mic2B. Signalerna förstärks först i respektive förstärkare 36 och 37 och adde- ras därefter i en adderare 38. Signalen från adderaren 38 matas till den andra ingången på processorn 27 via ett band- passfilter 39.

Processorn 27 är försedd med ett program för att utföra en automatisk tidsfördröjnignsmätning för att erhålla vågens hastighet i den aktuella pappersbanan. 10 15 20 25 30 35 504 576 M Fördröjningstiden bestäms ur korskorrelationsfunktionen. För detta syfte kombineras två metoder, nämligen korskorrela- tionsfunktionens envelopptoppdetektering för en grov evalue- ring och nollgenomgângsdetektering av korskorrelationsfunk- tionens Hilbert-transform för de exakta mätningarna. Tids- diagram, som illustrerar denna metod, ges i fig. 8A-8D. Denna metod är effektiv i fallet med relativt snävbandiga signaler, dvs. när en korskorrelationsfunktion har en oscillerande karaktär.

Därför, såsom visas i fig. 8A, åstadkommas en korskorrela- tionsfunktion §xy(1) mellan den transmitterade och mottagna -vågsignalen vid utgångarna på mottagarna M1, 28, 29 och 36, 37, 38, 39 so Mic2A, Mic2B, T åxy=<1/T>frx+n11*[2ya+efya+nmd1+ n2(t+f)]dt O där T är den signalvaraktighet, som användes för beräkningen, x(t) och y(t+1) är signalerna från ingångskanalen M1, 28, 29 37, 38, 39, nl(t) är bruset mottaget av mikrofonen M1 och n2(t+r) är det respektive utgångskanalen Mic2A, Mic2B, 36, och adderade brus, som mottagits av mikrofonerna Míc2A och Mic2B.

En nollgenomgång av Hilbert-transformen av korskorrelationen svarande mot maximivärdet på korskorrelationsfunktionen utförs.

Därefter erhålles envelopppen, såsom visas i fig. 8B, av en korskorrelationsfunktion Rxy(r) medelst Hilbert-transformen: Axy(f)=v[R§y (1) + ä fiy (f)] ac), där ñx, =HfRxy1=f (se fig. w Rxy(t)/[W*(f-t)] dt -w är Hilbert-transformen av en korskorrelationsfunktion Å RxY(r) och visas i fig. 8D. Fig. 8C visar detekteringen av den envelopptopp, som visas i fig. BB. 10 15 20 25 30 35 504 576 Vid förekomsten av signaler, som fortplantar sig genom multi- pla banor, har korskorrelationsfunktionen några få toppar 15 svarande mot olika fördröjningar. Då kan enveloppfunktionen presenteras såsom N AXy(r)f2 Ai(r-fd 1=l 1) där fdl, rdz är fördröjningarna i de motsvarande banor- na. Därför kommer i ett allmänt fall icke enbart en utan några få toppar att detekteras. Den vederbörliga toppen hittas genom att man tar tidigare känd kunskap beträffande en förväntad anländningstid med i beräkningen och är vanligtvis den topp, som ligger närmast nollögonblicket.

Det erhållna, grova estimatet av fördröjningstiden Édi an- vändes för att alstra ett fönster H(t) inom en tidsdomän, vars bredd A1 är något mindre än halva svängningsperioden hos den bandbegränsade korskorrelationsfunktionen Af Fönstret är placerat symmetriskt med avseende på den bestämda fördröjningstiden Tdi A 1, för êdi-(Af/z) s c 5 ?di+(Af/2) H(t-rdi)= 0, annars.

Det exakta fördröjningstidsestimatet erhålles från den fön- sterbehandlade Hilbert-transformen Rw(t) hos den initiala korskorrelationsfunktionen: (t)=n(t'?di)*ñxy (t) Toppvärdet på enveloppfunktionen Axy(f) svarar mot toppvärdet hos korskorrelationsfunktionen Rxy(f) endast vid fall av non- dispersiv (icke spridande) fortplantning. Såsom angavs ovan fortplantar sig den symmetriska s -vågen, som används för 0 mätningarna, utan nämnvärd dispersion (spridning). Å andra sidan bör osäkerheten vid detektering av den grova fördröjningstiden vara mindre än to/2. För en mittfrekvens på 35 kHz kan grova fördröjningstidsosäkerheter på så mycket som 10 15 20 25 30 35 504 576 to/2=14 us tillåtas. Vanligtvis uppfylls detta krav lätt, och ingen dubbeltydighet inträffar. 16 Korskorrelationsfunktionens Rxy(r) toppvärden svarar mot Hilbert-transformens §xy(1) nollvärden. Följaktligen kan nu den tid, när signalen anländer, hittas under användning av enkel nollgenomgångsteknik (fig. 8D): Rwnz) .ffdfmt-êdi) *ñxy(f)=fdl=o.

Det är värt att komma ihåg att genom att förskjuta fönster- funktionen H(t) till lägen hos andra envelopptoppar çdi, kan exakta fördröjningstider hos signaler, som fortplantar sig genom olika banor, automatiskt bestämmas.

En flödesplan för ett program i processorn 27 för att auto- matiskt utvinna tidsfördröjningen visas i fig. 9 och innefat- tar förskjutning av fönstret Ar, visat i fig. 8D, i flera steg för att finna den eftersökta tidsfördröjningen rd för pappersbanan 2.

Algoritmen består av tre huvudsteg: Korskorrelationens en- veloppfunktion passas ihop med andra ordningens polynom; hitta topparna; och hitta deras klassificering i enlighet med en skärpa.

Algoritmen börjar från fönstergenereringen inom tidsdomänen.

Fönstrets bredd ges i termer av samplingspunkter och definie- rar antalet punkter använda vid analysen. Fönstret förflyttas steg för steg i efterföljande algoritmslingor. Storleken på detta steg definierar avståndet mellan två angränsande toppar och kan väljas på sådant sätt, att små toppar orsakade av ett slumpmässigt brus eller falska vågor kommer att ignoreras.

Hoppassning för envelopppen hos korskorrelationsfunktionen behövs för att hitta toppen och utföres medelst minsta kvadratmetoden under användning av andra ordningens polynom.

Ett dylikt polynom kan ha en positiv eller negativ krökning beroende på vilket slags lokalt extremvärde - ett toppvärde eller ett minimivärde - som har hittats. 10 15 20 25 30 35 504 576 Strängt taget finner den andra ordningens polynomhoppassning 17 alltid ett lokalt minimum eller maximum oberoende av hur det skapas - genom fördröjda signaler eller genom slumpmässiga brusfluktuationer. Inflytandet av lokala fluktuationer kan minskas genom att öka fönstrets bredd. Då är de toppar, som orsakas av fördröjda vågor vanligtvis skarpare än de andra, falska, topparna.

Därför omfattar topphittarproceduren den första ordningens deriveringsberäkning, som medger bestämningen av lägena hos alla extremvärdena, och den andra ordningens deriveringsbe- räkning, som medger hopsorteringen av den i maxima och minima och följaktligen val av den riktiga toppen (eller topparna) enligt dess eller deras skärpa. Skärpan a ges av storleken på andra derivatan av toppen.

Fördröjningstidsestimatet fdi erhållet från denna topp an- vändes för att generera det ovan nämnda fönstret H(t).

Hilbert-transformen hos korskorrelationsfunktionen §xY(t) multipliceras med den fönsterbildande funktionen H(t).

Alla dessa funktioner är diskreta inom tidsdomänen. Avstånden mellan två angränsande punkter är lika med samplingsperioden Ats. För att erhålla mätfel mindre än signalsamplingsinter- vallet Ats hoppassas Hilbert-transformens segment under användande av minsta kvadratmetoden av femte ordningens polynom. Då har ekvationen fem rötter, men endast roten inom det skapade fönstret väljs. Denna rot är ett finestimat av tidsfördröjningen tdi. Våghastigheten vO=lO/tdi, och drag- styvheten TSI=c1*v02, där cl är en dimensionslös konstant nära 1 beroende på Poissons förhållande för pappret.

Flödesplanen i fig. 8 förmodas vara själförklarande och beskrivs därför icke i ytterligare detalj.

Det är nödvändigt att påpeka att om den topp hos korskorrela- tionsfunktionen, som orsakas av so-Lamb-vågen, är den stör- sta, så kan envelopppfunktionshoppassningen utelämnas och det grova estimatet av toppfördröjningen erhållas direkt från den 10 15 20 25 30 35 504 576 uppmätta korskorrelations- eller enveloppfunktionen. De andra 18 stegen i algoritmen förblir desamma.

Den ovan angivna metoden har beskrivits för mätning av tids- fördröjningen i maskinriktningen och detta kommer att ge dragstyvhetsindexet TSIMD i pappersmaskinens maskinriktning.

Friktionshuvudet 4, mikrofonerna Ml, Mic2A och Mic2B är då placerade i linje med maskinriktningen. Emellertid, såsom nämndes i inledningen till beskrivningen, behövs också drag- styvhetsindexet TSICD i pappersmaskinens tvärriktning, samt i och TSI MD CD' anisotropiförhållandet och dragstyvhetsorienteringen. En riktningar mellan TSI också för att beräkna utföringsform för att också åstadkomma dessa storheter kommer nu att beskrivas med hänvisning till fig. 7B och 7C, även fastän samma egenskap naturligtvis också kan åstadkommas för den i fig. 2 visade utföringsformen.

Såsom framgår av fig. 7B visas flera uppsättningar mikrofoner Mic3A, Mic3B; Mic5A, Mic4B etc. placerade parallellt med varandra och snett mot mikrofonen M1 i förhållande till maskinriktningen (de respektive vinkelriktningarna a a N-1' N etc), så att varje mikrofon Mic3A, Mic4A är placerad tangen- tiellt i samma läge ovanför den roterande cylindern 3 som mikrofonen Mic2A. Fördröjningstiden hos den symmetriska Lamb- våg, som fortplantar sig i den sneda riktningen, a a N-1' N etc., mäts på samma sätt som beskrivits ovan för ultraljuds- Lamb-vågen, som fortplantar sig i maskinriktningen när man medtar i beräkningen den något längre fortplantningsbanan för varje uppsättning.

I stället för att anordna en gruppering av mottagande upp- sättningar av uppfångningsmikrofoner skulle enbart en upp- sättning behöva anordnas, vilken uppsättning är rörlig utmed cylindern ovanför pappersbanan för att placeras i olika sneda positioner, dvs. scanning utmed linjen Cl. I detta fall är det viktigt att placera mikrofonuppsättningen exakt i nog- granna positioner ovanför pappersbanan (samma avstånd till banan och utmed linjen Cl) för att få samma mätvillkor för varje uppmätt, sned placering (icke visad i en separat figur, 10 15 20 25 30 35 504 576 men uppsättningen av uppfångningsmikrofoner kommer att vara 19 placerade på samma sätt som visas i fig. 7B).

En annan utföringsform, visad i fig. 7C, har enbart en upp- fångningsmikrofonuppsättning Mic2A', Mic2B' och flyttar, såsom en enhet, friktionshuvudet 4 och referensmikrofonen Ml tvärs utmed pappersbanan, t.ex. utmed en rak linje Fl paral- lell med linjen Cl, såsom visas, och utvinner fördröjnings- tiden för so-vågen för ett valt antal inställningar av en- heten 4, M1 med olika vinkelpositioner i förhållande till uppfångningsmikrofonuppsättningen. Det är också möjligt att förflytta friktionshuvud/mikrofonuppsättningen 4, M1 utmed en krökt linje F2 (streckad) eller att åstadkomma hastighetsmät- ningar utmed maskinriktningen separat och mätningarna i de sneda riktningarna utmed en linje F3 (streckprickad) vinkel- rät mot linjen Cl.

Det bör observeras att även för utföringsformer med scan- ningelement utmed en linje och ett element konstant i samma position åstadkommes varje mätresultat med båda sorternas element i samma position i förhållande till varandra under den tid det tar att få mätresultatet.

Många olika slags numeriska metoder kan användas för att åstadkomma en helt exakt estimering omkring so-våghastigheten i pappersbanans tvärriktning. En metod är att passa ihop de uppmätta so-våghastigheterna för de olika sneda positioner i någon slags periodisk funktion, t.ex. funktionen för en ellips eller någon slags Fourier-serie.

Exempel i vilken en trigonometrisk första ordningens Fourier- serie användes: Vi antar att ultraljudshastigheten hos so-vågen har mätts i tre olika riktningar, och dessa tre olika värden användes för al och bl. att bestämma konstanterna a0, Konstanterna in- sättes sedan i följande formel: f(a)=a0+al*cos2a+bl*sin2a (1) Den uppskattade hastigheten är också beroende av formeln (2): f(x)=kl*x+k2 (där x=f(a)max/f(a)min) (2) 10 15 20 25 30 35 504 576 Konstanterna kl och k2 är kända. 20 En kombination av funktio- nerna 1 och 2 kommer att ge följande funktion, vilken be- stämmer so-våghastigheten i tvärriktningen (a=90°). v(cD)=f(x)*(ao-a1) (s) Genom att ändra konstanterna kl och k2 är det möjligt att få hastigheten i vilken riktning som helst ur formel 4: v(a,max/min)=(k1(a)*x+k2(a))*(a0+al*cos2a+bl*sin2a) (4).

Ett annat fördelaktigt sätt att utvinna so-vågens hastighet i tvärriktningen ur resultaten från de olika inställnignarna mellan friktionshuvud/referensmikrofon och uppfångningsmikro- fonerna i förhållande till varandra, är att sätta in mätre- sultaten av so-våghastigheterna i ett koordinatsystem med hastigheten i maskinriktningen utmed X-axeln och hastigheten i banans tvärriktning utmed Y-axeln i relation till de re- a etc.

N-1' N ning till maskinriktningen på det sätt, som visas i fig. 7D. spektive vinkelavvikelserna a hos varje inställ- En kurva dras genom de olika mätresultaten och extrapoleras till att skära Y-axeln för att åstadkomma hastigheten hos so- vågen i pappersbanans tvärriktning. Ett litet extrapolerings- fel är oundvikligt men minimeras genom att ha en mängd in- ställningar hos friktionshuvud/referensmikrofonen i förhål- lande till uppfångningsmikrofonerna - ju fler dess bättre.

Samma extrapoleringsmetod som visas i fig. 7D kan användas även för de i fig. 7C visade utföringsformerna.

Fastän uppfinningen har beskrivits med hänvisning till speci- fika utföringsformer är det uppenbart för fackmännen att olika ändringar kan göras och ekvivalenter kan bytas ut mot visade element utan att man avviker från den sanna ramen för uppfinningen, såsom den framgår av kraven. Dessutom kan modifieringar göras utan att man avviker från de väsentliga lärdomarna av uppfinningen. T.ex. kan fler än två uppfång- ningsmikrofoner anordnas vid den roterande cylindern.

Claims (16)

10 15 20 25 30 504 576 21 Patentkrav

1. Anordning för att med ultraljud mäta de elastiska egenska- perna hos en pappersbana i rörelse, innefattande: a. organ (4) för att generera en ultraljudsvåg av brustyp i pappersbanan vid en exciteringspunkt; b. referensorgan (Ml;5) för att icke berörande mot- taga en referens-ultraljudsvåg àterutsänd till luften från exciteringspunkten: c. upptagningsorgan (M2;Mic2A,Mic2B;Mic3A,Mic3B) för att mottaga ultraljud återutsänt från pappersbanan vid ett förbestämt avstånd från placeringen av det ultraljudsgenererande organet (4), kännetecknad av att det ultraljudsgenererande organet (4) och referens-u1tra- ljudsmottagningsorganet (Ml;5) är anordnade pà samma sida om pappersbanan; och att åtminstone ett av de två slagen organ innefattar ett antal element anordnade symmetriskt i relation till det andra organet.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att antalet element är jämnt och att det organ, som har nämnda antal element har elementen arrangerade parvis, så att elementen i varje par har samma avstånd till ett element i det andra organet.

3. Anordning enligt krav l eller 2, kännetecknad av att det är det ultraljudsgenererande organet (4) som innefattar nämnda antal element; och att alla dessa element är anordnade på sidan av en linje genom ett ultraljudsmottagande element (Ml;5) hos referensorganet riktat i den i rörelse befintliga pappersbanans maskinriktning.

4. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att det ultraljudsgenererande organet (4) innefattar minst två hårda torrfriktiongivande delar (6,7;8,9;ll,l2) i kontakt med den i rörelse befintliga pappersbanan; varvid kontakt- dimensionen vinkelrät mot den i rörelse befintliga pappers- banans riktning och avståndet mellan de friktionskontakt- lO 15 20 25 30 35 504 576 22 givande delarna är mycket mindre än en våglängd hos den ultraljudsvàg (so), som är av intresse att indikeras, genere- rad i pappersbanan; och att det ultraljudsmottagande elemen- tet (M1) i referensorganet för att mottaga ultraljudsvågor är placerat mellan de friktionsgivande delarna.

5. Anordning enligt krav 4, kännetecknad av att friktions- delarna är gjorda av hàrdlegeringsmaterial, t.ex. volframkar- bid, absorberar ultraljudsvågor, t.ex. mjukt gummi, vilka spetsar och innefattar spetsar täckta med ett material, som gör kontakt med banan.

6. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att varje friktionsgivande element i det ultraljudsgenereran- de organet på delar vända bort från pappersbanan är täckt med en brusskärm åtminstone vänt mot referensmottagningsorganet för ultraljud.

7. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda uppfångningsmottagningsorgan (M2;Mic2A,Mic2B) för ultraljud finns ovanför och nära en roterande cylinder (3) hos papperstillverkningsmaskinen anordnad under pappersbanan och förskjutet utmed pappersbanans rörelseriktning vid ett bestämt läge (Cl) nedströms om en linje (C2) där den i rörel- se befintliga banan kommer i kontakt med cylinderns yta för första gången; och att en första brus- eller bullerskärm (25:35), uppfångningsorgan och skyddar nämnda uppfångningsorgan från luftburet brus eller buller, första skärmen är belägen nedströms om en linje (C2), där den i rörelse befintliga banan kommer i kontakt med cylindern för första gången, och ultraljudselementet eller ultraljuds- t.ex. är placerad nära nämnda en gummicylinder, varvid den yttre kanten av den elementen i nämnda uppfàngningsmottagningsorgan är placerat eller placerade nära en inre kant av skärmen.

8. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att en andra brus- eller bullerskärm (26) är placerad någon- stans mellan det ultraljudsgenererande organet och nämnda 10 15 20 25 30 35 504 576 23 uppfångningsmottagningsorgan för att skydda dem från ljud och damm genererade från nämnda ultraljudsgenererande organ.

9. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att de laterala dimensionerna hos ultraljudsindikerande element (Ml;l4-15;Mic2A,Mic2B) hos alla ultraljudsmottag- ningsorganen är minst 10 gånger mindre än en våglängd hos ultraljudsvàgen i pappersbanan, och alla ultraljudsindike- rande delar hos mottningsorganen är placerade på ett avstånd från banan, som är mindre än en våglängd hos den ultraljudsvåg, som återutsänds av banan till luften.

10. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att * nämnda upptagningsorgan innefattar minst två nära- liggande ultraljudsmottagande uppfångningselement (Mic2A,Mic2B) för att icke berörande mottaga ultra- ljudsvàgen genererad i banan av nämnda ultraljuds- genererande organ och áterutsänd av banan; * behandlingsanordning (28-3l;28-29,36-39) för att kombinera utsignalerna från de ultraljudsmottagande uppfångningselementen; * beräkningsanordning (27) för att behandla utsigna- lerna från referensmottagaren och från behandlings- anordningen och bestämma fördröjningstiden mellan dessa utsignaler.

11. ll. Anordning enligt krav 10, kännetecknad av att avståndet (lm) mellan de näraliggande uppfångningselementen (Mic2A,- Mic2B), i ett plan parallellt med pappersbanan, är halva våglängden i luft vid mittfrekvensen (fo) hos en bandbredd använd för mätningar.

12. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att mottagningsorganen (Ml,Mic2A,Mic2B) är placerade utmed en rak linje, företrädesvis i den i rörelse befintliga pap- persbanans maskinriktning, för att erhålla tiden mellan genereringen av ultraljudsvàgen av intresse att övervaka, vilken fortplantar sig i banan, och àterutsändningen av samma 10 15 20 25 504 576 24 våg vid uppfángningselementen för att utvinna dragstyvhetsin- dexet i maskinriktningen.

13. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda uppfàngningsmottagande organ för ultraljud (M2;Mic2A,Mic2B) kan vara snett orienterade i förhållande till referensmottagningsorganet (M1) vid vald vinkel eller valda vinklar mot den i rörelse befintliga pappersbanans maskinriktning för att erhålla tiden mellan genereringen av ultraljudsvågen av intresse att övervaka, vilken fortplantar sig i banan, och àterutsändningen av samma våg vid uppfång- ningselementen för att utvinna dragstyvhetsindexet i den sneda riktningen.

14. Anordning enligt krav 13, kännetecknad av att resultaten från mätningar i flera sneda riktningar kombineras för att utvinna dragstyvhetsindexet i pappersmaskinens tvärriktning.

15. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att beräkningsanordningen (27) bestämmer fördröjningstiden såsom en nollgenomgång hos Hilbert-transformen av korskorre- lationsfunktionen mellan utsignalerna hos nämnda referensmot- tagningsorgan och uppfångningsmottagningsorgan svarande mot korskorrelationsfunktionens maximivärde.

16. Anordning enligt krav 15, kännetecknad av att ett Hil- bert-fönster skapas inom tidsdomänen och förflyttas till dess att en topp belägen inom tiden för korskorrelationsfunktionen har hittats och en skarp topp har utvunnits.