DE3048710C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Flächengewichts bzw. der Dicke von dünnem Material, wie beispw. Papier, Folien oder ähnl., wobei ein impulsförmig Ultraschallwellen abstrahlender Sender das Material beschallt und ein auf der anderen Seite des Materials liegender Empfänger die Schallintensität der vom Material kommenden Schallschwingungen auswertet.

Die Anwendung von Schallwellen zur Bestimmung der Dichte von Materialien unterschiedlichster Art ist seit längerer Zeit bekannt.

Ein Verfahren der o. g. Art ist in der DE-OS 15 48 170 für die Bestimmung des Flächengewichts von Papier beschrieben.

Das zu prüfende Papier wird mit Hilfe eines Schallsenders einem Schallfeld ausgesetzt, wobei die Schallfrequenz mit 15 kHz gewählt wird. Ein gegenüber dem Sender oder auf der gleichen Seite des Senders angeordneter Empfänger nimmt den vom Papier kommenden Schallanteil auf. Die empfangene Schallintensität wird als Maß für das Flächengewicht des Papiers genutzt.

Bei der Ankopplung von Schallwellen über Luft an ein gegenüber Luft wesentlich dichteres Medium, wie beispw. Papier, ist der vom Papier reflektierte Schallanteil gerade bei höheren Schallfrequenzen sehr hoch. Das heißt, daß sich dem Primär- bzw. Direktschall des Senders, der das Papier durchdringt und auf einem auf der gegenüberliegenden Seite des Papiers angeordneter Empfänger gelangt, aufgrund von Mehrfachreflexionen zwischen Sender und Papier bzw. Papier und Empfänger Schallanteile überlagern, die in ähnlicher Größenordnung liegen wie der Primärschall. Abhängig von der Lage des Papiers zwischen Sender und Empfänger schwankt die Phasenlage der störenden Schallanteile relativ zur Phasenlage des Primärschalls. Das führt zu Überlagerungen mit erheblich schwankenden Amplituden des im Empfänger registrierten Signals.

Es hat sich gezeigt, daß mit den in der DE-OS 15 48 710 vorgeschlagenen Geräten bzw. Verfahren keine ausreichend genauen und vor alllem reproduzierbaren Ergebnisse erreicht werden können. Die Schallisolierung im Sender- bzw. Empfängergehäuse, wie in der DE-OS vorgeschlagen, schafft hier keine Abhilfe, da diese, abgesehen davon, daß sie nicht sehr wirksam durchgeführt werden kann, auf die Reflexion zwischen Sender und Papier bzw. Papier und Empfänger keinen Einfluß hat. Bringt man, wie in einem Ausführungsbeispiel der DE-OS gezeigt, bei gegenüberliegender Anordnung vom Sender und Empfänger die Isolierung in den "Strahlengang" zwischen Sender und Empfänger, wird die Primärenergie in gleichem Maße geschwächt. Das schlechte Verhältnis zwischen Nutz- und Reflektions- bzw. Störsignal bleibt unverändert.

Das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignal wird noch erheblich ungünstiger, wenn, wie auch in der DE-OS vorgeschlagen, der Empfänger auf der Seite des Senders angeordnet ist. In diesem Fall wird der ohnehin sehr schwache, das Papier durchdringende Schallanteil an einer hinter dem Papier angeordneten Platte in Richtung Sender reflektiert und ein zweites Mal in gleichem Maße durch das Papier geschwächt. Mit dieser Anordnung und den in der DE-OS vorgeschlagenen Maßnahmen ist eine zuverlässige Bestimmung des Flächengewichts aus den oben genannten Gründen praktisch ausgeschlossen.

Aus der US-A-34 23 992 ist ein Gerät zur Dickenmessung mittels Ultraschall bekannt, welches aus der Laufzeit eines an einer Grenzfläche reflektierten Schallimpulses die Dicke des Objekts bestimmt. Speziell geht es um die Dickenmessung bei Rohren, die zur Messung in ein Flüssigkeitsbad eingebracht werden, in welchem die Beschallung mit Ultraschall erfolgt. Durch Reflexion eines Impulses entsteht an der Rohroberfläche ein Echo, und eine bestimmte Zeit nach dem Echosignal wird ein Rechtecksignal erzeugt, während dessen Dauer ein erstes Bodenechosignal erfaßt werden kann, welches mit Hilfe eines durch das Rechtecksignal eingeschalteten Verstärkers selektiert wird. Das erhaltene Signal löst ein weiteres Rechtecksignal aus, welches durch den nachfolgenden Senderimpuls wieder auf Null gesetzt wird. Es erfolgt mithin eine Reflexionsmessung, wobei als Maß für die Dicke des Meßobjekts die Laufzeit der Schallimpulse verwendet wird. Die Ankopplung des Meßobjekts erfolgt in einer Flüssigkeit.

In der US-A-36 51 687 ist ein Ultraschall-Mikrometer zur statischen oder dynamischen Messung kleiner Abstände durch Bestimmung der Schallaufzeit eines Ultraschallimpulses beschrieben. Ein Ultraschallimpuls wird nach Reflexion an einem Meßobjekt registriert, und die verstrichene Laufzeit wird als Maß für den Abstand zwischen der Ultraschallquelle und dem Meßobjekt verwendet. An zwei Empfängern werden sowohl durch die Abstrahlung entstehende Impulse als auch Oberflächenechos empfangen. Die erstgenannten Signale sind unerwünscht und werden durch Torschaltungen ausgeblendet. Damit werden also die durch den Sender direkt hervorgerufenen Signale ausgeblendet, nicht beseitigt werden Störsignale, die durch Reflexionen zwischen Meßgut und Meßapparat entstehen.

Aus der US-A-40 73 007 ist eine Apparatur zur Bestimmung von Strukturdefekten in unter Spannung transportierten Bändern beschrieben. Das Band wird mechanisch lokal zum Schwingen gebracht, und es wird ermittelt, wie sich die Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung des Bandes ausbreitet. Dies wird mittels berührungsloser Sensoren detektiert.

Aus technica Nr. 10, 1970, S. 857-863, ist es bekannt, mittels Ultraschall eine Wanddickenmessung durchzuführen, wozu die Laufzeit eines Impulses bestimmt wird, der von einem Prüfkopf auf ein Meßobjekt ausgesendet und von der Rückwand des Meßobjekts reflektiert wird. Es finden sich allerdings in dieser Druckschrift keine Hinweise auf mögliche Lösungen der Probleme, die sich bei der Flächengewichtsbestimmung von dünnem Material mittels einer durchstrahlenden Intensitätsmessung ergeben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren bzw. ein Prüfgerät der o. g. Art vorzuschlagen, mit dem eine sehr genaue und reproduzierbare Bestimmung des Flächengewichts von dünnem Material möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schallaufzeit zwischen Sender und Empfänger bestimmt wird und daß bei der eigentlichen Prüfung der Empfänger um die Schallaufzeit Td verzögert eingeschaltet und spätestens mit Ablauf der doppelten Schallaufzeit 2TD wieder abgeschaltet wird.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung besteht somit darin, daß ein Zeitintervall für die Auswertung des Empfangssignals definiert wird. Das Zeitintervall beginnt abhängig von der Schallaufzeit zwischen Sender und Empfänger mit dem Eintreffen des Primärschalls am Empfänger und endet, bevor die ersten systembedingten Störanteile (reflektierte Schallanteile des Senderschalls oder Schallanteile benachbarter Sender) am Empfänger eintreffen. Damit ist das zur Auswertung gelangende Meßsignal frei von systembedingten Signalverfälschungen. Mit der Eliminierung der systembedingten Störanteile wird außerdem erreicht, daß daß Meßsignal in weiten Grenzen von Schwankungen der Papierlage vollständig unbeeinflußt bleibt.

Neben den systembedingten Störanteilen können auch externe Störgeräusche das Meßergebnis verfälschen. Durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren gewählte hohe Schallfrequenz sowie durch ein spezielles, weiter unten genauer erläutertes, Auswertverfahren wird der Einfluß der Umweltgeräusche ebenfalls auf ein nahezu zu vernachlässigendes Maß reduziert.

Weiterbildungen und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Dazu zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Prüfgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 die elektronischen Baugruppen des Prüfgerätes im einzelnen,

Fig. 3 ein Impuls-Ablaufplan und

Fig. 4 ein Prüfgerät zur großflächigen Abtastung.

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft die schematische Darstellung des Prüfgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Gerät kann beispw. in Banknoten-Sortierautomaten eingesetzt werden, um das Flächengewicht von Banknoten zu bestimmen. Im Zuge der Flächengewichtsbestimmung ist es in diesem Anwendungsfall ebenso möglich, Klebestreifen auf Banknoten oder auch fehlende Teile an Banknoten zu erkennen. Eine weitere, bei Banknoten-Sortierautomaten wichtige Aufgabe ist die Erkennung von sogenannten Doppel- und Mehrfachabzügen, um die Zählsicherheit der Automaten zu gewährleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gerade auch für diese Funktion, wie weiter unten näher erläutert, vorteilhaft Anwendung finden.

Um bei der Prüfung eine hohe Auflösung bei möglichst hohen Banknoten-Transportgeschwindigkeiten zu erzielen, ist die Impulswiederholfrequenz, die die Anzahl der Messungen pro Längeneinheit auf der Banknoten in Transportrichtung bestimmt, entsprechend hoch zu wählen.

Diese Frequenz wird jedoch begrenzt durch die Abklingdauer der Senderschwingung und der überlagerten reflektierten Schallanteile. Die Abklingdauer einer durch einen Impuls erzeugten Schallschwingung ist umgekehrt proportional der Bandbreite des die Schwingung erzeugenden Systems.

Neben der Impulswiederholfrequenz ist die Frequenz der Senderschwingung von Bedeutung.

Mit jedem Senderimpuls wird der auf dem Empfänger gelangende Schallimpuls gemäß der Erfindung innerhalb des schon oben definierten Zeitintervalls ausgewertet.

Aus Gründen eines guten Signal-Rausch-Abstandes sollte bei großer Senderleistung die Senderfrequenz möglichst so hoch sein, daß mindestens ein Schwingungszug des Empfangssignals während des Zeitintervalls ausgewertet werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß sich für das erfindungsgemäße Verfahren Elektret-Ultraschallwandler besonders gut eignen. Die Wandler haben bei hoher Senderleistung eine ebenfalls hohe Resonanzfrequenz mit breitbandigem Frequenzgang. Ein mit geeigneten Impulsen angeregter Elektretwandler erzeugt aufgrund seiner Bandbreite eine stark gedämpfte Schwingung bei seiner Resonanzfrequenz.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, durchläuft die Banknote 1 die Sende-Empfangsanordnung 2, 3 in mittiger Lage. In der Sendersteuerung 4 werden nach Maßgabe der Ablaufsteuerung 6 in regelmäßigen Abständen zur Anregung des Senders 2 geeignete Einzelimpulse erzeugt. Der dabei vom Sender ausgelöste Schallimpuls wird größtenteils an der Banknote reflektiert. Über das durch den Schallimpuls in Bewegung gesetzte Banknotenpapier pflanzt sich der nicht reflektierte Anteil des Senderschalls auf der Empfängerseite fort.

Der Empfänger 3 erzeugt ein Analogsignal, das in der Signalaufbereitungsstufe 5 verarbeitet wird. In dieser Stufe wird der Anteil dann, wie unten näher erläutert, innerhalb eines durch die Ablaufsteuerung 6 vorgegebenen Zeitintervalls aufintegriert. Der Endwert des Integrators wird in der im Baustein 6 enthaltenen Signalauswertung bewertet und zur Anzeige gebracht. Der in der Signalaufbereitungsstufe 5 ermittelte Integrationswert ist umgekehrt proportional zur Flächendichte des Papiers, was beispielsweise in der Anzeige 7 nach geeigneter Kalibrierung direkt in den entsprechenden Einheiten (g/m²) angezeigt werden kann.

Die Ermittlung und Bildung des Integrationsintervalls werden anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben.

Der Beginn des Zeitintervalls zur Auswertung des Empfängerschalls wird durch die Schallaufzeit zwischen Sender 2 und Empfänger 3 festgelegt.

Die Schallaufzeit wird in einer Baugruppe 10 der Ablaufsteuerung 6 immer dann gemessen, wenn sich kein Papier zwischen Sender 2 und Empfänger 3 befindet. Die Baugruppe 10 registriert in diesem Fall ein stark übersteuertes Signal am Ausgang des Verstärkers 11. Die Laufzeit wird daraufhin durch eine Zeitmessung zwischen dem nächsten über den Impulsgenerator 4 auf den Sender 2 gelangenden Impuls und dem nach Verzögerung am Empfänger erscheinenden korrespondierenden Impuls durchgeführt. In Banknoten- Sortierautomaten kann die Laufzeitmessung jeweils in der Lücke zwischen zwei Banknoten durchgeführt werden. Durch die Bestimmung der Laufzeit erübrigt sich eine exakte mechanische Justierung des Abstandes "d" zwischen Sender und Empfänger.

Die fortlaufende Bestimmung der Laufzeit hat außerdem den Vorteil, daß Laufzeitänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen der Luft zwischen Sender und Empfänger automatisch berücksichtigt werden und somit das Meßergebnis nicht beeinflussen. Abhängig von der jeweils ermittelten Laufzeit wird in der Ablaufsteuerung 6 die Verzögerung eingestellt, mit der nach einem Senderimpuls die Integration des Empfangssignals beginnt.

Die Steuerung des Gerätes übernimmt ein auf die Ablaufsteuerung geführter Takt "A" (siehe auch Fig. 3). Dieser kann mit der Bewegung der Banknoten synchronisiert sein. Abhängig vom Takt "A" wird in der Ablaufsteuerung das Signal "B" generiert. Dieses Signal gelangt auf den Sender-Impulsgenerator 4, der die für die Ultraschallwandler geeigneten Spannungsimpulse erzeugt (Signal "C").

Die steile Anstiegsflanke der Impulse sorgt für die Anregung bei der Resonanzfrequenz des Senders. Der Senderimpuls erscheint nach der Laufzeit Td am Empfänger. Das im Baustein 11 verstärkte Empfangssignal ist als Signal "D" in der Fig. 3 dargestellt. Aufgrund der vorher durchgeführten Laufzeitmessung kann nun exakt mit dem Erscheinen des Schallsignals am Empfänger das Torsignal "F" gesetzt werden. Das Signal gelangt auf den Schalter 13, der damit die Integration einleitet.

Bei mittig zwischen Sender und Empfänger geführter Banknoten erscheint der erste reflektierte Schallanteil (Sender-Banknote-Sender-Empfänger) nach der Laufzeit 2 Td, da der Weg doppelt so lang ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Integration abgebrochen, bevor nach der Laufzeit 2 Td der erste reflektierte Schallanteil erscheint.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ende des Integrationstores (Signal "F") so gewählt, daß gerade eine Periodendauer des Empfangssignals erfaßt wird. Um Schwankungen in der Lage der Banknote kompensieren zu können, ist der Abstand "d" zwischen Sender und Empfänger abhängig von der Resonanzfrequenz so eingestellt, daß die störenden reflektierten Schallanteile erst nach einem, diese Schwankungen kompensierenden Sicherheitsabstand, nach Abschluß der Integration erscheinen. Die Integration einer vollen Periode ist ein Sonderfall und in dem Ausführungsbeispiel des besseren Verhältnisses wegen gewählt. Andere Formen sind ebenso möglich.

Nach dem Zurücksetzen des Integrators 15 mit dem Signal "E" wird das Empfangssignal zunächst positiv aufintegriert. Nach Ablauf der halben Integrationszeit, was unter den gewählten Bedingungen im Normalfall der halben Periodendauer des Empfangssignals entspricht, wird das Signal invertiert. Dazu wird das Signal "G" einem Inverter 14 zugeführt, so daß der Integrator in der zweiten Integrationshälfte das invertierte Signal (Signal "H") aufsummiert.

Diese Art der Integration hat einerseits den Vorteil, daß Störgeräusche herausgefiltert werden. Andererseits werden bei der Integration Phasenverschiebungen des Signals berücksichtigt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei einem sogenannten Doppelabzug, bei dem die Banknoten sehr eng aneinander liegen, die Phase des Empfangssignals verschoben wird, während sich die Amplitude des Signals gegenüber der Prüfung der einzelnen Note nur sehr gering verändert. In diesem speziellen Fall kommt der Integrator trotz nahezu unveränderter Eingangsamplitude aufgrund der Invertierung des Signals in der Mitte des Integrationstores zu einem geringeren Endwert, so daß auch in diesem Fall eine klare Aussage möglich wird.

Insbesondere für die Erkennung derartiger Doppelabzüge ist die Auswertung nur einer Periode des Empfangssignals sehr vorteilhaft.

Das Frequenzverhalten der Auswertstufe ist mit dem Verhalten eines Lock-IN-Verstärkers (Bandpaßverhalten) vergleichbar. Externe Störgeräusche spielen daher nur im Bereich der Resonanzfrequenz eine Rolle.

Der Endwert des Integratorsignals (Signal "I") wird der in der Ablaufsteuerung 6 enthaltenen und hier nicht näher spezifizierten Auswertstufe 17 zugeführt. Er kann je nach Prüffunktion des Gerätes als Absolutwert, beispw. umgerechnet in g/m³ oder nach Vergleich mit vorgegebenen Standardwerten in Form einer Ja/Nein Aussage, beispw. zur Anzeige eines Doppelabzuges, ausgegeben werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes, die zur großflächigen Abtastung von beispw. Banknoten geeignet ist. Aufgrund der oben erläuterten speziellen Auswertmethode ist es möglich, die einzelnen Sender-Empfängerpaare 2, 3 flächendeckend auf engem Raum nebeneinander anzuordnen, ohne daß sich die Signale der einzelnen Sender-Empfangsanordnungen gegenseitig stören.

Der minimale Abstand "A" der einzelnen Sender hängt vom Abstand "d" der einzelnen Sender-Empfangsanordnungen ab. "A" wird so groß gewählt, daß der Schall eines benachbarten Senders erst nach dem Integrationstor an dem entsprechenden Empfänger ankommt. Der Laufzeitunterschied des Schalls (d2-d1)/C (C=Schallgeschwindigkeit) muß also größer sein als die Integrationstorlänge.

In dem erwähnten Ausführungsbeispiel wurde das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit der Prüfung von Banknoten in Banknoten-Sortierautomaten beschrieben.

Die Erfindung kann mit gleichem Erfolg genutzt werden, um das Flächengewicht von Papier- bzw. Folienbahnen oder ähnlichen dünnen Materialien zu prüfen.

Claims (7)

1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Flächengewichts bzw. der Dicke von dünnem Material, wie beispielsweise Papier, Folien oder ähnlichem, wobei ein impulsförmig Ultraschallwellen abstrahlender Sender das Material beschallt und ein auf der anderen Seite des Materials liegender Empfänger die Schallintensität der vom Material kommenden Schallschwingungen auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufzeit zwischen Sender und Empfänger T_d bestimmt wird und daß bei der eigentlichen Prüfung der Empfänger um die Schallaufzeit T_d verzögert eingeschaltet und spätestens mit Ablauf der doppelten Schallaufzeit 2T_d wieder abgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger während eines durch den Ein- und Abschaltzeitpunkt gebildeten Zeitintervalls diese Schallschwingungen aufintegriert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall eine oder das Vielfache der Periode der Empfangsschwingungen erfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf einer halben Periode der Empfangsschwingung das dem Integrator zugeführte Signal invertiert wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, wobei Banknoten oder dergleichen zwischen Sender und Empfänger durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufzeit in der Lücke zwischen zwei Banknoten neu bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur großflächigen Abtastung des Materials mehrere Sender-Empfängerpaare verwendet werden, deren Abstand voneinander so bemessen ist, daß der Schall eines benachbarten Senders erst nach Beendigung des Integrationsintervalls am entsprechenden Empfänger ankommt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfänger und/oder Sender Elektretwandler vorgesehen sind.