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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors, der bei der Dickenmessung bzw. Flächengewichtsmessung einer Materialbahn zum Einsatz kommt.
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Aus der
DE 42 36 436 A1 ist ein Messverfahren zur berührungslosen Bestimmung des Flächengewichts von dünnen Materialbahnen mittels Ultraschall bekannt. Bei dem Verfahren wird berührungslos mittels eines Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfängers die Transmissionsabsorption eines Ultraschallstrahls bei Durchtritt durch eine Materialfolie bestimmt. Anhand der Absorption und eines Kalibrierfaktors wird das Flächengewicht berechnet.
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Aus der
DE 201 09 119 U1 ist eine weitere Vorrichtung zum Messen der Dicke von Materialbahnen bekannt. Dort wird die Materialbahn über eine Walze gezogen, wobei zur Dickenmessung ein Sensor auf einem traversierend über die Walze hin- und herfahrenden Rollwagen angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur verbesserten Kalibrierung eines Sensors bereitzustellen. Daneben ist es Aufgabe, die Messung der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts einer Materialbahn mittels eines verbesserten Verfahrens bzw. einer verbesserten Vorrichtung zuverlässiger auszugestalten.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 5 bzw. 7 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines Sensors vorgesehen. Der Sensor kommt bei der Ermittlung des Flächengewichts und/oder der Materialdicke einer Materialbahn oder Folie zum Einsatz (im Folgenden wird generell auf Materialbahn Bezug genommen, was auch Folien mit umfasst). Die Messung der Schichtdicke oder des Flächengewichts kann ausschließlich in Transmissionsmessung realisiert sein, bei der von einer Sendeeinrichtung des Sensors ein Messsignal durch die Materialbahn gestrahlt wird und durch eine Empfangseinrichtung des Sensors auf der zum Sender gegenüberliegenden Seite der Materialbahn empfangen wird. Aus der Abschwächung des Signals beim Durchtritt (Transmission) durch die Materialbahn lässt sich die Schichtdicke oder das Flächengewicht bestimmen. Alternativ wird die Schichtdicke aufgrund des von der Materialbahn reflektierten Signals bestimmt. Dabei liegen der Signalsender und der Signalempfänger des Sensors auf der gleichen Seite bezüglich der Materialbahn. Als weitere Alternative weist der Sensor einen Sender auf der ersten Seite der Materialbahn und einen ersten Empfänger auf der ersten Seite der Materialbahn und einen zweiten Empfänger auf der zweiten Seite der Materialbahn auf, wobei mittels des zweiten Empfängers die Transmission und mittels des ersten Empfängers die Reflektion gemessen wird.
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Beim Kalibrierungsverfahren wird der zu kalibrierende Sensor (der wie erwähnt im normalen Messbetrieb bei der Materialdicken- und/oder Flächengewichtsmessung im Einsatz ist) mittels eines flächigen Kalibrierungsmusters kalibriert. Dazu werden mit dem Sensor am flächigen Kalibriermuster eine Vielzahl von Transmissions- und/oder Reflektionswerte erfasst, wobei die Werte an jeweils verschiedenen, flächig verteilten Positionen des Kalibrierungsmusters erfasst werden.
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Vorzugsweise ist das Kalibrierungsmuster ein Referenzmaterial mit bekanntem, beispielsweise mittels geeichter Messverfahren ermitteltem Flächengewicht, das dann als Vergleichsstandard für die laufende Kontrolle der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts der Materialbahn herangezogen wird. Weiter vorteilhaft ist das Kalibrierungsmuster ein runder Stanzling mit einer Fläche von einem Quadratdezimeter, bei dem das Flächengewicht durch Auswiegen an einer Präzisionswaage ermittelt wurde.
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Aus der Vielzahl der an den verschiedenen Positionen des Kalibrierungsmusters erfassten Werte wird ein Mittelwert der erfassten Transmissions- und/oder Reflektionswerte gebildet (ggf. Transmission für sich und Reflektion für sich). Der so ermittelte Mittelwert wird mathematisch mit dem bekannten Flächengewicht des Kalibrierungsmusters verknüpft, so dass dieser Kalibrierungswert zur Kalibrierung der Dicken- und/oder Flächengewichtsmessung des Sensors an der zu messenden Materialbahn herangezogen werden kann. Vorzugsweise wird mittels des ermittelten Kalibrierungswerts eine Kalibrierungskurve der Signaltransmission (Verlauf der Transmissionsintensität in Abhängigkeit der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts, falls in Transmission oder in kombinierter Transmission und Reflektion gemessen wird) kalibriert. Oder es wird eine Kalibrierungskurve der Signalreflektion (Verlauf der Reflektionsintensität in Abhängigkeit der Dicke und/oder des Flächengewichts, falls in Reflektion oder in kombinierter Reflektion/Transmission gemessen wird) kalibriert.
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Dadurch, dass nicht nur an einer Stelle des Kalibrierungsmusters ein Transmissions- und/oder Reflektionswert erfasst wird, sondern an flächig verteilten Positionen gemessen wird, werden Schichtdicken- oder Flächegewichtsschwankungen des Kalibrierungsmusters ausgemittelt, so dass der Fehler der Kalibrierung des Sensors entsprechend der Mittelwertbildung vermindert ist. Aufgrund der höheren Präzision bei der Kalibrierung des Sensors ist infolge auch die Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung der Materialbahn genauer.
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In vorteilhafter Ausgestaltung werden die flächig verteilten Positionen am Kalibrierungsmuster dadurch angefahren, dass das Kalibrierungsmuster relativ zum Sensor gedreht wird. Die Drehung kann dabei mit einem mechanisch einfachen Aufbau implementiert sein und während der Drehung des Kalibrierungsmusters werden auf einer Kreisbahn liegende Positionen des Kalibrierungsmusters angefahren.
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Alternativ oder zusätzlich werden die Positionen am Kalibrierungsmuster durch translatorisches Verschieben des Sensors relativ zum Kalibrierungsmuster und/oder durch translatorisches Verschieben des Kalibrierungsmusters relativ zum Sensor angefahren. Beispielsweise kann eine Rotation des Kalibrierungsmusters mit einer translatorischen Verschiebung des Sensors kombiniert sein. Bei einer solchen Kombination können beispielsweise spiralförmig versetzte Positionen oder Positionen, die auf unterschiedlichen Kreisdurchmessern liegen, angefahren werden.
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Sowohl bei der Rotation des Kalibrierungsmusters als auch beim Versetzen mittels Translation kann das Anfahren der flächig verteilten Positionen entweder der Reihe nach oder kontinuierlich erfolgen. Beim. Anfahren der Reihe nach werden die Positionen angefahren und die Messung durchgeführt und anschließend die nächste Position angefahren und die Messung durchgeführt. Beim kontinuierlichen Anfahren oder Durchlaufen der flächig verteilten Positionen wird die Messung durchgeführt, während die Rotation oder Translation ausgeführt wird.
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Vorzugsweise wird die Messung der Transmissions- und/oder Reflektionswerte kontinuierlich oder quasikontinuierlich durchgeführt, während eine kontinuierliche Bewegung des Kalibrierungsmusters relativ zum Sensor- und/oder während einer kontinuierlichen Bewegung des Sensors relativ zum Kalibrierungsmuster ausgeführt wird. Quasikontinuierlich bedeutet hier, dass die Messwerterfassung mit dem Sensor in Messintervallen erfolgt, wie sie beispielsweise durch die digitale Auswertungsrate der Abfolge Signalimpuls – Signalempfang – Signalverarbeitung des empfangenen Signals vorgegeben ist. Eine kontinuierliche Erfassung erfolgt beispielsweise durch analoge oder digitale Integration des kontinuierlich gesendeten und empfangenen Messsignals.
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Bei dem Verfahren zum Messen der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts einer Materialbahn erfolgt vor, während und/oder nach der Ermittlung der Schichtdicke und/oder des Flächegewichts der Materialbahn eine Kalibrierung des Sensors wie oben beschrieben. Die Messung der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts der Materialbahn erfolgt vorzugsweise durch das Verfahren des (kalibrierten oder noch unkalibrierten) Sensors quer zu einer in Längsrichtung fortbewegten Materialbahn. Während der Querbewegung des Sensors wird Transmission und/oder Reflektion der Materialbahn erfasst. Die Schichtdicke und/oder das Flächegewicht der Materialbahn wird ermittelt durch Berechnung anhand des oder der erfassten Transmissions- und/oder Reflektionswerte unter Heranziehung eines Kalibrierungswerts bzw. einer Kalibrierungskurve, der oder die selbst wiederum anhand der Kalibrierung des Sensors kalibriert wurde bzw. wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Messverfahrens erfolgt die Kalibrierung des Sensors unter Verwendung des Kalibriermusters vorzugsweise in vorbestimmten Zeitintervallen. Eine Kalibrierung kann jedoch auch aufgrund anderer Ereignisse ausgelöst werden, beispielsweise bei Feststellung einer Temperaturdrift in der Produktionsumgebung oder Messumgebung der Materialbahn, bei Chargenwechsel des Ausgangsprodukts für die Materialbahn oder dergleichen.
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Bei der Vorrichtung zur Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung einer Materialbahn nach Anspruch 7 ist eine Sensoreinheit einer Materialbahntransporteinrichtung zugeordnet. Bei der Sensoreinheit ist ein Sensor zur Erfassung von Transmissions- und/oder Reflektionswerten der Materialbahn in Querrichtung der in Längsrichtung transportierten Materialbahn verfahrbar. Der Sensor kann mittels und entlang der Sensoreinheit beispielsweise zwischen den äußeren Längskanten der Materialbahn traversierend hin- und hergefahren werden. Dadurch wird beispielsweise während eines Produktionsprozesses für die Materialbahn auch eine Querverteilung der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts überwacht.
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Die Vorrichtung weist eine Sensorkalibrierungsposition auf, in der der Sensor aus der Materialbahnmessstrecke herausgefahren und einer bei der Sensorkalibrierungsposition angeordneten Halteeinrichtung mit einem Kalibrierungsmuster beigestellt wird. In der Sensorkalibrierungsposition wird mittels eines Antriebs der Sensor relativ zum Kalibrierungsmuster und/oder das Kalibrierungsmuster relativ zum Sensor bewegt.
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In Ausgestaltung erfolgt eine Rotations- und/oder Linearbewegung mittels eines Rotations- und/oder Linearantriebs, der das in der Halteeinrichtung gehaltene Kalibrierungsmessmuster relativ zum Sensor bewegt. Zusätzlich oder alternativ lässt sich der Sensor in der Sensorkalibrierungsposition flächig oder zumindest in einer Linearrichtung, vorzugsweise in der Querrichtung der Materialbahn, über das in der Halteeinrichtung gehaltene Kalibrierungsmuster bewegen.
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Vorteilhaft ist der Sensor ein Ultraschallsensor, bei dem das Messsignal zur Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung ein Ultraschallimpuls ist. Alternativ wird ein optischer Sensor eingesetzt, der beispielsweise einen Laserstrahl oder einen Leuchtdiodenstrahl verwendet. Weiter alternativ ist der Sensor ein Strahlensensor, der Gamma- oder Betastrahlen aussendet und empfängt.
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In Ausgestaltung und wie oben beschrieben, kann der Sensor ausschließlich als Transmissionseinheit aufgebaut sein, bei der lediglich die Absorption bei der Transmission des Sensorsignals durch die Materialbahn bestimmt wird. Oder die Sensoreinheit ist ausschließlich eine Reflektionseinheit, bei der die Reflektion des Messsignals von der Materialbahn oder von der Rückseite der Materialbahn erfasst wird. Oder alternativ ist die Sensoreinheit eine kombinierte Transmissions- und Reflektionsmesseinheit, bei der sowohl die Abschwächung des Sensorssignals in Reflektion als auch in Transmission bestimmt werden. Bei einer solchen Transmissions und Reflektionsmessung kann einer der Werte zur Plausibilitätsprüfung des anderen Werts oder und/oder zur Mittelwertbildung bei der Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung herangezogen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Flächgewichtsmesseinheit mit Kalibrierstationen,
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2 eine schematische Darstellung der Mess- und Steueranordnung bei Positionierung des Sensors in der Kalibrierstation, und
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3 die Intensitäts-/Flächengewichts bzw. Schichtdickenkurve und deren Nachkalibrierung.
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1 zeigt schematisch in Draufsicht eine Flächengewichtsmesseinheit 2, die an einer in Längsrichtung x fortbewegten Materialbahn 100 angeordnet ist. Der Einfachheit halber ist die Transporteinrichtung zur Vorwärtsbewegung der Materialbahn 100 nicht dargestellt. In den Figuren sind die Größenverhältnisse und Abstandsverhältnisse nicht maßstabsgetreu dargestellt, sondern sind so dargestellt, dass sie der Erläuterung der Erfindung dienen.
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Die Flächengewichtsmesseinheit 2 hat als Grundkomponente ein Querportal 4, das sich oberhalb und unterhalb der Materialbahn 100 über die volle Breite der Materialbahn und darüber hinaus erstreckt. Das Querportal 4 lässt eine schlitzartige Öffnung frei, durch die die Materialbahn 100 in Längsrichtung x fortbewegt wird. Am oberen Querträger des Querportals 4 (in 1 von oben als in y-Richtung verlaufender Balken zu erkennen) ist ein Schlittenausleger 6 auf einem in der Darstellung nicht sichtbaren Schlitten gelagert, wobei der Schlitten mittels eines Linearantriebs reversierend quer (also in y-Richtung) zur Materialbahn 100 verfahrbar ist.
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Der Schlittenausleger 6 trägt einen Sendekopf 8, der mittels des Schlittenauslegers 6 über die volle Breite der Materialbahn 100 verfahrbar ist. Der Sendekopf 8 strahlt einen Ultraschallimpuls auf die Oberseite der Materialbahn und das Ultraschallsignal breitet sich unter Abschwächung durch die Materialbahn 100 zu deren Unterseite aus, wo das abgeschwächte Ultraschallsignal austritt und auf einen dem Sendekopf 8 gegenüberliegenden Empfangskopf 10 auftrifft.
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In der schematischen Querschnittsansicht von 2 sind die Anordnung von Sendekopf 8 und Empfangskopf 10 in seitlicher Ansicht dargestellt, wobei bei der seitlichen Ansicht die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in 2 steht. Mit 32 ist anschaulich der Ultraschall-Transmissionsstrahl dargestellt, der vom Sendekopf 8 ausgeht. Der Transmissionsstrahl 32 tritt in der dargestellten Parkposition 14 des Sendekopfs 8 durch ein Kalibriermuster 18 durch und trifft auf den Empfangskopf 10 auf.
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Der Empfangskopf 10 ist ebenfalls auf einem Schlitten am unteren Querträger des Querportals 4 (nicht dargestellt) gelagert und wird synchron mit dem Sendekopf 8 in y-Richtung verfahren. Dabei ist das synchrone Verfahren des Sendekopfs 8 und des Empfangskopfs 10 der Art, dass diese zu jeder Zeit auf einer Achse in z-Richtung kollinear zueinander positioniert sind.
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1 zeigt weiterhin eine Standby- und Kalibrierstation 12 der Flächengewichtsmesseinheit 2. Die Standby- und Kalibrierstation 12 ist seitlich zur Materialbahn versetzt, also in y-Richtung oder Querrichtung zur Materialbahn 100 versetzt. Die Standby- und Kalibrierstation 12 hat eine Parkposition 14, in der sowohl der Sendekopf 8 als auch der gegenüberliegende Empfangskopf 10 während Messungsunterbrechungen oder zur Kalibrierung der Sende-/Empfangseinheit 8, 10 geparkt sind.
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In der Standby- und Kalibrierstation 12 ist ein Klemmring 16 drehbar gelagert, der an seiner Außenseite mittels eines Ritzels 22 in Rotation versetzt wird. Wie aus 2 ersichtlich, wird das Ritzel bzw. Zahnrad 22 durch einen Antriebsmotor 20 angetrieben. Das Ritzel 22 greift in einen außen am Klemmring 16 ausgebildeten Zahnkranz, so dass mittels des Motors 20 die Drehgeschwindigkeit bzw. Winkelstellung des Klemmrings 16 gesteuert werden kann. Im Klemmring 16 ist ein Kalibriermuster 18 eingeklemmt. Das Kalibriermuster 18 ist ein runder Stanzling eines für die Kalibrierung heranzuziehenden Standardmaterials. Der Stanzling hat eine Fläche von einem Quadratdezimeter, so dass mittels Auswiegens des Stanzlings auf einer Präzisionswaage das Flächengewicht des Standards auf einfache Weise ermittelt werden kann. Der Kalibrierstandard in Form des Kalibriermusters 18 stellt einen Sollwert für die Dicke und/oder das Flächegewicht der Materialbahn 100 dar und wird zur wiederholten Kalibrierung der Sendeeinheit aus Sende- und Empfangskopf 8, 10 herangezogen.
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2 zeigt neben der schematischen seitlichen Ansicht von Sende- und Empfangskopf 8, 10 die relative Lage des Kalibriermusters 18. Ebenso ist in Form eines Blockschaltbilds die Steuer- und Kontrollelektronik für die Flächengewichtsmesseinheit 2 dargestellt. Mittels eines Positionssensors 24 wird erfasst, ob der Sendekopf 8 und der Empfangskopf 10 in der korrekten Parkposition 14 angelangt sind, um zum Beispiel die Kalibrierung durchzuführen. Der Positionssensor 24 meldet sein Signal an eine Steuereinheit 26 der Flächengewichtsmesseinheit 2.
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Die Steuereinheit 26 steuert einen Sendercontroller 28 an. Beispielsweise erhält der Sendecontroller 28 von der Steuereinheit 26 die Versorgungsspannung und ein Verstärkungseinstellsignal zum Einstellen der Signalverstärkung. Mit der vorgegebenen Signalverstärkung wird ein ebenfalls von der Steuereinheit 26 empfangenes Impulssignal für den Sendekopf 8 verstärkt. Der Sendercontroller 28 gibt das verstärkte Impulssignal an den Sendekopf 8 aus, der das Spannungssignal in das Ultraschallsignal 32 umwandelt.
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Das am Empfangskopf 10 empfangene Ultraschallsignal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und einem Empfängercontroller 30 zugeführt. Der Empfängercontroller führt eine Signalaufbereitung aus und leitet das aufbereitete Empfangssignal an die Steuereinheit 26. Beispielsweise umfasst der Empfängercontroller 30 einen digitalen Signalprozessor, der durch eine entsprechende Programmierung über die Steuereinheit 26 einen Signalverarbeitungsalgorithmus bereitstellt, um die rechenintensive Signalauswertung bereits auf der Ebene des Empfängercontrollers 30 durchzuführen.
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2 zeigt weiterhin bei 34 die Intensitätsverteilung des Sendesignals über den Durchmesser der aktiven Ultraschallabstrahlsendefläche des Sendekopfs 8. Dabei ist die ungefähr Gauß-förmige Intensitätsverteilung zu erkennen, deren Intensitätsmaximum im mittleren Bereich liegt.
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Um zum Beispiel thermische Drifts, Alterungsprozesse, Verunreinigungen auf dem Sende-/Empfangsweg des Ultraschallsignals 32 und dergleichen Effekte zu kompensieren, wird die Messung des Flächengewichts oder der Schichtdicke der Materialbahn 100 in vorgebbaren Zeitintervallen zur Kalibrierung unterbrochen. Dazu fährt der Sende- und Empfangskopf 8, 10 seitlich aus der Messstrecke (Breite der Materialbahn 100) heraus in die Parkposition 14. Wird mittels des Positionssensors 24 die korrekte Position des Sende- und Empfangskopfs 8, 10 erfasst, steuert die Steuereinheit 26 den Motor 20 an, so dass das im Klemmring 16 eingeklemmte Kalibriermuster 18 zwischen Sendekopf und Empfangskopf durchgedreht wird. Die Mitte der Sende-/Empfangsfläche des Sende-/Empfangkopfes 8, 10 ist radial zur Mitte des Kalibriermusters 18 versetzt, so dass die Mitte des Sende-/Empfangskopfes relativ zum Kalibriermuster auf einer Kreisbahn bewegt wird.
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Während des Drehens des Kalibriermusters 18 werden laufend Ultraschallsendeimpulse vom Sendekopf 8 gesendet und vom Empfangskopf 10 erfasst. Damit werden die Transmissionswerte vom Kalibriermuster 18 von verschiedenen, über die Fläche des Kalibriermusters verteilten Positionen gemessen. Die gemessenen Werte werden mittels der Steuereinheit 26 aufgezeichnet. Nach einmaligem oder nach mehrmaligem Drehen des Kalibriermusters 18 bildet die Steuereinheit 26 einen Mittelwert aus den gemessenen Transmissionswerten und verwendet diesen um die Kalibrierkurve für die Flächengewichtsbestimmung bzw. Schichtdickenbestimmung selbst zu kalibrieren.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch eine Kalibrierkurve für die Intensität I der Transmission T des Ultraschallsignals 32 in Abhängigkeit der Dicke d (entsprechendes gilt auch für das Flächengewicht) der Materialbahn 100. Mit der durchgezogenen Linie ist die Abhängigkeit der Intensität I in von der Schichtdicke d mit dem letzten Kalibrierwert zu erkennen. Ergibt die Mittelwertbildung der zuvor beschriebenen ermittelten Transmissionsmessung einen abweichenden Kalibrierwert für die Schichtdicke d oder das Flächengewicht, so wird die Kalibrierkurve entsprechend nach oben oder unten korrigiert, wie dies durch die entsprechenden gestrichelten Kurven angedeutet ist. Damit steht nach der Kalibrierung eine neu kalibrierte Kalibrierungskurve (3) zur Verfügung und die Schichtdickenmessung quer zur Materialbahn 100 kann mit der neuen Kalibrierkurve fortgesetzt werden, so dass die Flächengewichts- oder Schichtdickenbestimmungen mit höherer Zuverlässigkeit durchgeführt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Flächengewichtmesseinheit
- 4
- Querportal
- 6
- Schlittenausleger
- 8
- Sendekopf
- 10
- Empfangskopf
- 12
- Standby- und Kalibrierstation
- 14
- Parkposition
- 16
- Klemmring
- 18
- Kalibriermuster
- 20
- Antriebsmotor
- 22
- Zahnrad
- 24
- Positionssensor
- 26
- Steuereinheit
- 28
- Sendercontroller
- 30
- Empfängercontroller
- 32
- Transmissionsstrahl
- 34
- Intensitätsverteilung
- 100
- Materialbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4236436 A1 [0002]
- DE 20109119 U1 [0003]
