WO1999037974A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung der dicke einer bahn - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung der dicke einer bahn Download PDF

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Peter Hannemann
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Böwe Systec AG
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/06—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for measuring the thickness of a web according to the preamble of claim 1.
  • a web is to be understood here as any flat, web-like or sheet-like material, for example paper sheets, paper webs or foils.
  • the invention is particularly suitable for measuring the thickness of a paper stack in order to find out how many individual sheets the stack consists of.
  • Such a measuring device and a corresponding measuring method is known from EP 635 696 B1.
  • the device shown there consists of a fixed support surface and a substantially perpendicular to this fixedly arranged push button sensor which has a movable relative to the support surface, ferromagnetic sensing element which, depending on its position relative to the support surface, influences the signal of a transmitter designed as a sensor coil.
  • the touch sensor has a sensor housing arranged above the contact surface and, as a touch element, an essentially cylindrical target with an end-facing touch surface facing the contact surface. Furthermore, the sensor coil in the sensor housing projects at least partially into the opening of the target. Target and sensor coil are arranged coaxially to each other. This ensures that the measurement signal is somewhat linear to the deflection of the probe.
  • the complicated and expensive mechanical construction of the measuring device is disadvantageous due to the required accuracy of fit of the recesses and the small measuring range as well as the low accuracy of the thickness measurement.
  • optoelectronic measurement techniques for example the so-called transmitted light control, in which the paper passes through a light barrier.
  • transmitted light control in which the paper passes through a light barrier.
  • a support surface 1 which consists of a relatively hard material, for example metal, and serves as a reference surface.
  • the web 2 to be measured which in the exemplary embodiment described is a paper web and can consist of one or more sheets of paper.
  • the web 2 moves in the direction shown by the arrow 3, that is to say from right to left in the figure.
  • the lever 4 which is mounted on a bearing 5 with as little friction as possible.
  • the lever 4 has a roller 6, the roller axis of which runs perpendicular to the direction of movement 3 of the paper 2 and parallel to the contact surface 1.
  • the roller 6 is thus arranged and stored so that it can roll on the paper 2 moving in the direction of the arrow 3.
  • the lever 4 acts on an acceleration sensor 7, which can be mechanical, optoelectronic or electronic in a manner known per se and on it Measures accelerations acting in the vertical direction and converts them into an electrical signal.
  • the signal of this acceleration sensor 7 is transmitted to an electronic evaluation unit 9 via an electrical connection 8, which is shown in dashed lines and, for mechanical relief of the acceleration sensor 7, can also be wireless, and is evaluated there.
  • the evaluation electronics 9 have access to a data memory 10, the content and mode of operation of which will be discussed below in the description of the function of the device according to the invention.
  • the roller 6 rests on the support surface 1 and the acceleration sensor 7, since it is also at rest, does not emit a signal. If, starting from this idle state, a paper web 2 consisting of several sheets of paper moves on the support surface 1 in the direction of the arrow 3, that is to say from right to left, then the front edge 11 of the paper web 2 reaches the roll 6 at a specific moment shown in the figure This is raised abruptly and rolls over the front edge 11 of the paper web 2, in order then to roll on the surface of the paper web 2 in the direction of arrow 3 as the paper web 2 continues to advance.
  • the lever 4 is pivoted about its bearing 5 and the right end of the lever 4, which acts on the acceleration sensor 7, is deflected upward.
  • the acceleration sensor 7 experiences the acceleration of the lever 4 and delivers a corresponding signal.
  • the acceleration sensor 7 supplies a measurement signal
  • this is fed via line 8 to the evaluation electronics 9, which receives the signal and stores it digitally.
  • the signal is stored in the time domain, specifically as a time-dependent waveform.
  • the evaluation electronics 9 can also carry out an algorithmic transformation, for example a Fourier transformation, and store the signal in the frequency domain.
  • the stored signal has a characteristic course over time, which at a constant speed of the paper web 2 essentially depends only on the thickness D of the paper web 2. Since the thickness D of the paper web 2 cannot change continuously but, depending on the number of sheets stacked, only very specific, discrete thickness values can be given, each possible thickness D can be assigned a specific measurement signal. Since this measurement signal is typical of the thickness and thus of the number of sheets contained in the stack, one speaks of a fingerprint or a signature.
  • a large number of such signatures are located in the memory 10 assigned to the evaluation electronics 9, each signature corresponding to a specific number of sheets in the paper web 2.
  • the evaluation electronics 9 compares the current signature coming from the acceleration sensor 7 with the signatures stored in the memory 10 and determines the greatest possible correspondence according to known mathematical methods.
  • a specific thickness or number of sheets is assigned to each signature, which is called up by the evaluation electronics 9 after determining the best-fitting signature. This value can be shown on a display (not shown) or otherwise used.
  • the device according to the invention is used to measure the thickness D of one or more sheets of paper.
  • This application is particularly advantageous for use in printers where it must be ensured that only one sheet of the paper stack is to be fed to the printer at a time.
  • the invention can be used in all cases in which the thickness of a web-like material is to be measured.
  • the exemplary embodiment described is an offline evaluation, that is to say the evaluation electronics access several reference signals stored in a memory and compare them with the current signal.
  • a combination of online and offline operation is also possible.
  • the most varied of mathematical methods are available for signal analysis, which are preferably stored in software as algorithms, these algorithms being processed by the evaluation electronics.
  • Forms of analysis in the time domain and in the frequency domain come into consideration, here in particular the correlation analysis and the Fourier analysis. Combined time / frequency analyzes are also possible.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke (D) einer Bahn (2), deren Vorderkante (11) sich auf einer Auflagefläche (1) in eine Richtung (3) bewegt, mit einem über der Auflagefläche (1) befindlichen Sensorelement, welches senkrecht zur Auflagefläche (1) beweglich geführt ist und die Bahn (2) bzw. Auflagefläche (1) berührt und einer diesem nachgeschalteten Auswerteelektronik (9). Beispielsweise handelt es sich bei der Bahn um einen Papierstapel. Bekannte derartige Vorrichtungen und Verfahren sind entweder sehr aufwendig, fehleranfällig oder ungenau. Die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Bahn so auszubilden, dass bei einem einfachen mechanischen Aufbau eine zuverlässige Aussage über die Dicke der Bahn gewährleistet ist, wird durch eine Vorrichtung gelöst, bei der das Sensorelement einen Beschleunigungssensor (7) zur Erfassung der durch die Vorderkante (11) verursachten Beschleunigung des Sensorelements senkrecht zur Auflagefläche (1) und zur Erzeugung eines hierzu korrespondierenden elektrischen Signals aufweist, welches von der Auswerteelektronik (9) mit mindestens einem, einer bestimmten Dicke entsprechenden und in einem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignal vergleichbar ist bzw. durch ein entsprechendes Verfahren.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Dicke einer
Bahn
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Bahn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter Bahn ist hierbei jedes flache, bahn- oder bogenartige Material zu verstehen, beispielsweise Papierbögen, Papierbahnen oder Folien. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Messung der Dicke eines Papierstapels, um herauszufinden, aus wie vielen Einzelblättern der Stapel besteht.
Eine derartige Meßvorrichtung und ein entsprechendes Meßverfahren ist aus der EP 635 696 Bl bekannt. Die dort gezeigte Vorrichtung besteht aus einer ortfesten Auflagefläche und einem im wesentlichen senkrecht hierzu ortsfest angeordneten Tastsensor, der ein relativ zur Auflagefläche bewegliches, ferromagnetisches Tastorgan aufweist, welches in Abhängigkeit von seiner Stellung relativ zur Auflagefläche das Signal eines als Sensorspule ausgebildeten Meßwertgebers beeinflußt. Dabei weist der Tastsensor ein über der Auflagefläche angeordnetes Sensorgehäuse und als Tastorgan ein im wesentlichen zylindrisches Target mit einer stirnseitigen, zur Auflagefläche weisenden Tastfläche auf Das Target ist im Sensorgehäuse axial verschieblich geführt und weist an seiner der Tastseite abgewandten Stirnseite die Form eines Rotationsparaboloiden auf. Ferner ragt im Sensorgehäuse die Sensorspule zumindest teilweise in die Öffnung des Targets hinein. Target und Sensorspule sind koaxial zueinander angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß das Meßsignal einigermaßen linear zur Auslenkung des Tastorgans ist. Nachteilig ist allerdings der komplizierte und teuere mechanische Aufbau der Meßvorrichtung infolge der erforderlichen Paßgenauigkeit der Ausnehmungen und der kleine Meßbereich sowie die geringe Genauigkeit der Dickenmessung.
Daneben sind optoelektronische Meßtechniken bekannt, beispielsweise die sogenannte Durchlichtkontrolle, bei der das Papier eine Lichtschranke durchläuft. Diese sind zwar einfacher auswertbar als Messungen mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau, allerdings auch fehleranfällig, da sich bei verschiedenen Papiersorten oder z.B. bei bedrucktem Papier die Lichtdurchlässigkeit ändert, was wiederum zu Fehlinterpretationen des optischen Signals führt.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Bahn so auszubilden, daß bei einem einfachen mechanischen Aufbau eine zuverlässige Aussage über die Dicke der Bahn gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10. Vorteilhafte Ausführungen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher beschrieben, welche eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung im Längsschnitt zeigt.
In der Figur ist eine Auflagefläche 1 dargestellt, die aus einem relativ harten Material, beispielsweise Metall, besteht und als Referenzfläche dient. Auf dieser Auflagefläche befindet sich die zu messende Bahn 2, welche im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Papierbahn ist und aus einem oder mehreren Bögen Papier bestehen kann. Die Bahn 2 bewegt sich in die durch den Pfeil 3 dargestellte Richtung, in der Figur also von rechts nach links.
Oberhalb der Auflagefläche 1 befindet sich ein Hebel 4, der an einem Lager 5 möglichst reibungsarm gelagert ist. An seinem einen Ende, in der Figur links dargestellt, weist der Hebel 4 eine Rolle 6 auf, deren Rollenachse senkrecht zur Bewegungsrichtung 3 des Papiers 2 und parallel zur Auflagefläche 1 verläuft. Die Rolle 6 ist also so angeordnet und gelagert, daß sie auf dem sich in Pfeilrichtung 3 bewegenden Papier 2 abrollen kann. Der Hebel 4 wirkt auf einen Beschleunigungssensor 7 ein, der in an sich bekannter Weise mechanisch, optoelektronisch oder elektronisch ausgebildet sein kann und auf ihn in Vertikalrichtung wirkende Beschleunigungen mißt und in ein elektrisches Signal umformt. Das Signal dieses Beschleunigungssensors 7 wird über eine elektrische Verbindung 8, welche gestrichelt eingezeichnet ist und, zur mechanischen Entlastung des Beschleunigungssensors 7 auch drahtlos ausgeführt sein kann, zu einer Auswerteelektronik 9 übertragen und dort ausgewertet. Hierbei hat die Auswerteelektronik 9 Zugriff auf einen Datenspeicher 10, auf dessen Inhalt und Wirkungsweise im folgenden bei der Beschreibung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingegangen wird.
Im (nicht dargestellten) Ruhezustand der Vorrichtung liegt die Rolle 6 auf der Auflagefläche 1 auf und der Beschleunigungssensor 7 gibt, da er sich ebenfalls in Ruhe befindet, kein Signal ab. Bewegt sich, ausgehend von diesem Ruhezustand, eine aus mehreren Blättern Papier bestehende Papierbahn 2 auf der Auflagefläche 1 in Pfeilrichtung 3, also von rechts nach links, so erreicht die Vorderkante 11 der Papierbahn 2 in einem bestimmten, in der Figur dargestellten Augenblick die Rolle 6. Diese wird ruckartig angehoben und rollt über die Vorderkante 11 der Papierbahn 2 ab, um dann bei weiterem Fortschreiten der Papierbahn 2 in Pfeilrichtung 3 auf der Oberfläche der Papierbahn 2 abzurollen.
Während des ruckartigen Anhebens der Rolle 6 durch die Vorderkante 11 der Papierbahn 2 wird der Hebel 4 um sein Lager 5 geschwenkt und das rechte Ende des Hebels 4, welches auf den Beschleunigungssensor 7 einwirkt, nach oben ausgelenkt. Der Beschleunigungssensor 7 erfährt die Beschleunigung des Hebels 4 und liefert ein entsprechendes Signal. Sobald die Rolle 6 die Vorderkante 1 1 der Papierbahn 2 überwunden hat und Nachschwingvorgänge abgeklungen sind, findet keine Beschleunigung mehr statt und der Beschleunigungssensor 7 liefert auch kein Signal mehr.
Sobald der Beschleunigungssensor 7 ein Meßsignal liefert, wird dieses über die Leitung 8 der Auswerteelektronik 9 zugeführt, welche das Signal aufnimmt und digital abspeichert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal im Zeitbereich abgespeichert, und zwar als zeitabhängige Wellenform. Alternativ hierzu kann die Auswerteelektronik 9 auch eine algorithmische Transformation, z.B. eine Fourier-Transformation durchfuhren und das Signal im Frequenzraum abspeichern.
Das abgespeicherte Signal hat einen charakteristischen zeitlichen Verlauf, der bei konstanter Geschwindigkeit der Papierbahn 2 im wesentlichen nur von der Dicke D der Papierbahn 2 abhängt. Da die Dicke D der Papierbahn 2 sich nicht kontinuierlich ändern kann, sondern je nach Anzahl der gestapelten Blätter nur ganz bestimmte, diskrete Dickenwerte gegeben sein können, kann jeder möglichen Dicke D ein bestimmtes Meßsignal zugeordnet werden. Da dieses Meßsignal typisch für die Dicke und damit für die Anzahl der in dem Stapel enthaltenen Blätter ist, spricht man von einem Fingerabdruck oder einer Signatur.
In dem der Auswerteelektronik 9 zugeordneten Speicher 10 befinden sich eine Vielzahl derartiger Signaturen, wobei jede Signatur einer bestimmten Anzahl von Blättern in der Papierbahn 2 entspricht. Die Auswerteelektronik 9 vergleicht die aktuelle, vom Beschleunigungssensor 7 kommende Signatur mit den im Speicher 10 abgespeicherten Signaturen und ermittelt die größtmögliche Übereinstimmung nach bekannten mathematischen Verfahren. In dem Speicher 10 ist jeder Signatur eine bestimmte Dicke oder Blattanzahl zugeordnet, welche von der Auswerteelektronik 9 nach Ermittlung der am besten passenden Signatur abgerufen wird. Dieser Wert kann auf einer (nicht dargestellten) Anzeige dargestellt oder anderweitig verwertet werden.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Dicke D eines oder mehrerer Papierblätter benutzt. Diese Anwendung ist besonders vorteilhaft bei Druckern einzusetzen, wo zu gewährleisten ist, daß dem Drucker jeweils nur ein Blatt des Papierstapels zuzuführen ist. Die Erfindung läßt sich jedoch in allen Fällen einsetzen, in denen die Dicke eines bahnartigen Materials zu messen ist. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist eine Offline-Auswertung, das heißt, die Auswerteelektronik greift auf mehrere in einem Speicher abgespeicherte Referenzsignale zu und vergleicht diese mit dem aktuellen Signal. Alternativ hierzu kann auch „online" gearbeitet werden. Hierbei wird nicht auf einen externen Speicher zugegriffen, der bestimmte Referenzsignale enthält, sondern bestimmte Parameter des elektrischen Signals werden unmittelbar von der Auswerteelektronik ausgewertet. Besonders bietet sich die Auswertung der Steilheit der Anstiegsflanke des Signals an, da diese umso größer ist, je dicker die zu vermessende Bahn ist. In Betracht kommt auch die Auswertung der Signalamplitude, also der Signaldifferenz zwischen Ruhelage und maximalem Ausschlag oder der Abklinkzeit.
Auch eine Kombination des Online- und Offline-Betriebs ist möglich. In beiden Betriebsarten bieten sich zur Signalanalyse die verschiedensten mathematischen Verfahren an, welche vorzugsweise softwaremäßig als Algorithmen gespeichert sind, wobei diese Algorithmen von der Auswerteelektronik abgearbeitet werden. In Betracht kommen Analyseformen im Zeitbereich und im Frequenzbereich, hier insbesondere die Korrelationsanalyse und die Fourieranalyse. Ebenso sind kombinierte Zeit- /Frequenzanalysen möglich.
Durch die Erfindung werden die Nachteile bekannter Vorrichtungen aufgehoben. Durch den Wegfall von Bedienungselementen wird die Handhabung erleichtert. Die Softwareanalyse der Signatur erlaubt eine beliebig hohe Genauigkeit, wodurch auch die Zuverlässigkeit in hohem Maße ansteigt. In der vorliegenden Anwendung zur Papierdickenkontrolle vereinigen sich die Vorteile der einfachen mechanischen Bauweise mit der besseren Auswertemöglichkeit der Software.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung der Dicke (D) einer Bahn (2), insbesondere einer Papierbahn, deren Kante (11) sich auf einer Auflagefläche (1) in eine Richtung (3) bewegt, mit einem über der Auflagefläche (1) befindlichen Sensorelement, welches senkrecht zur Auflagefläche (1) beweglich geführt ist und die Bahn (2) bzw. Auflagefläche (1) berührt und einer diesem nachgeschalteten Auswerteelektronik (9), dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement einen Beschleunigungssensor (7) zur Erfassung der durch die Kante (11) verursachten Beschleunigung des Sensorelements senkrecht zur Auflagefläche (1) und zur Erzeugung eines hierzu korrespondierenden elektrischen Signals aufweist, welches von der Auswerteelektronik (9) zur Ermittlung der Dicke (D) auswertbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Parameter des elektrischen Signals, beispielsweise Flankensteilheit, Amplitude oder Abklingzeit, von der Auswerteelektronik (9) auswertbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal von der Auswerteelektronik (9) mit mindestens einem, einer bestimmten Dicke (D) entsprechenden und in einem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignal vergleichbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (9) auf einen softwaremäßig installierten Algorithmus zugreift.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal im Zeitbereich vergleichbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer algorithmischen Transformation im Frequenzbereich vergleichbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer Fourier-Transformation im Frequenzbereich vergleichbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal mit mehreren, in dem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignalen, die jeweils verschiedenen Dicken entsprechen, vergleichbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als Hebel (4) ausgebildet ist, an dessen einem Ende eine Rolle
(6) angeordnet ist, welche auf der Auflagefläche (1) aufliegt bzw. auf der sich bewegenden Bahn (2) abrollt, und daß der Hebel (4) auf den Beschleunigungssensor
(7) angeordnet ist.
1 O.Verfahren zur Messung der Dicke (D) einer Bahn (2), insbesondere einer Papierbahn, deren Kante (11) sich auf einer Auflagefläche (1) in eine Richtung (3) bewegt, mit einem über der Auflagefläche (1) befindlichen Sensorelement, welches senkrecht zur Auflagefläche (1) beweglich geführt ist und die Bahn (2) bzw. Auflagefläche (1) berührt und einer diesem nachgeschalteten Auswerteelektronik (9), dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement einen Beschleunigungssensor (7) aufweist, der die durch die sich vorbeibewegende Kante
(11) verursachte Beschleunigung des Sensorelements senkrecht zur Auflagefläche (1) mißt und ein hierzu korrespondierenden elektrisches Signal erzeugt, welches der Auswerteelektronik (9) zugeführt und von dieser zur Ermittlung der Dicke (D) ausgewertet wird. l lNerfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Parameter des elektrischen Signals, beispielsweise Flankensteilheit, Amplitude oder Abklingzeit, von der Auswerteelektronik (9) ausgewertet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal von der Auswerteelektronik (9) mit mindestens einem, einer bestimmten Dicke (D) entsprechenden und in einem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignal verglichen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal im Zeitbereich verglichen wird.
14Nerfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer algorithmischen Transformation im Frequenzbereich verglichen wird.
15Nerfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal nach einer Fourier-Transformation im Frequenzbereich verglichen wird.
16Nerfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal mit mehreren, in dem Speicher (10) abgespeicherten Referenzsignalen, die jeweils verschiedenen Dicken entsprechen, verglichen wird.
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