EP1701900B1 - Verfahren und vorrichtung zur berührungslosen detektion von flächigen objekten - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to methods for non-contact detection of flat objects according to the preamble of claim 1 and to a device according to the preamble of claim 8.
- Methods and devices of this kind are described e.g. Used in the printing industry to determine whether a single sheet or multiple sheets or a missing sheet exists for paper, film or similar sheet materials in the printing and manufacturing process.
- a multiple sheet e.g. a double sheet is a separation of such a double sheet to protect the printing press normally required.
- the normal printing process is modified or interrupted until a single sheet is detected again.
- these methods and devices are also used in the packaging industry, in which, for example, labels applied to base material or carrier material are counted or checked for the presence or absence.
- Another area of use is the detection of tear threads or tear points, especially in thin, used as wrapping films, such as cigarette packs.
- the measuring principle used in a generic method and a device when using e.g. Ultrasound and the detection of paper in sheet-like form based on the fact that the ultrasonic wave emitted by the transmitter penetrates the paper and the transmitted portion of the ultrasonic wave is received by the receiver as a measurement signal and is evaluated in terms of its amplitude.
- the receiver In the presence of a multiple or double arc therefore sets in the receiver a much smaller amplitude, as in the presence of a single arc.
- the flat object to be detected such as a paper sheet, for example, is detected with regard to its grammage or its sound absorption characteristic and entered into the evaluation device in the sense of teaching in before the actual detection process begins.
- a significant disadvantage is that in other flat objects with different weights again a corresponding teach-in step must be performed and taught, which on the one hand is complex and on the other hand usually leads to significant downtime in the corresponding facilities.
- EP 1 201 582 A An apparatus for detecting single sheets or multiple sheets is known. For the detection of these sheets, this known device has at least one capacitive sensor and at least one ultrasonic sensor.
- an evaluation unit for deriving a signal for the determination ofGraphcummm. Multiple sheets provided. This signal is derived from a logical combination of the output signals of the sensors, wherein the appropriate detection signal is determined in an adjustment phase.
- Another device is as a capacitive sensor from the DE 195 21 129 C1 known. This primarily aimed at the non-contact detection of labels on a substrate device works with two capacitor elements and one the se influencing oscillator. The dielectric properties of the paper or of other flat objects therefore influence the resonant circuit of the oscillator with regard to the frequency, which is evaluated for detection.
- Another device of the type mentioned is from the DE 203 12 388 U1 known.
- This ultrasonic device uses the transmission and reflection of the radiation to determine the presence and strength of the corresponding objects.
- this device also uses reference reflectors, so that a relatively complex structure of the device is present.
- an inductively operating device for measuring the thickness of sheets known, which may consist of non-ferrous metals or ferrous metals.
- the measurement of the thickness of the sheets takes place here via the evaluation of the operating frequency of a frequency generator or via the evaluation of its amplitude.
- this device first requires a teach-in step in which a calibration plate is introduced into the measuring chamber and the operating frequency or the amplitude of the frequency generator is set according to a standard thickness curve.
- this device is suitable for detecting sheet thicknesses up to about 6 mm. The detection of thin sheets or films is not very safe due to the small change in damping.
- a device for separating non-magnetic sheets is described.
- a traveling-field inductor exerts a force provided opposite to the conveying direction of the laminated core, so that the present double sheet is separated into two sheets.
- this device is completely unsuitable.
- the DE 42 33 855 C2 describes a method for controlling and detecting bump inhomogeneities. This method works optically and on the basis of a transmission measurement. However, especially in the control of paper sheets with respect to single sheets and multiple sheets there is the problem that due to the material nature of the sheets very strong fluctuations due to inhomogeneities or the reflection behavior and the flutter of the sheets are caused. To overcome this problem, this document provides a measured value evaluation using the fuzzy logic rules.
- the phase evaluation shows that only relatively thin papers, as used in particular in printers, can be detected with regard to multiple sheets.
- the wavelength of the ultrasonic signal must be relatively long compared to paper thickness, usually low frequency, e.g. in the range of 40 kHz in order to achieve a good penetration of the arches.
- a particularly useful for counting banknotes, but also in other papers and films usable method is from the DE 30 48 710 C2 known.
- This method which is based on the determination of the basis weight or the thickness of the materials to be detected, works with pulsed ultrasound waves, wherein for the detection of a double sheet, ie the presence of two overlapping or overlapping banknotes, in particular the evaluation of the integration of the phase shift is used.
- the field of application of this method is therefore, primarily geared to the counting of banknotes or comparable papers and foils taking into account the basis weights of such materials. For use with packaging materials or the counting of labels, therefore, this appears. Procedure unsuitable.
- Another method on acoustic or ultrasonic basis is from the DE 40 22 325 C2 known.
- This method which focuses on the control of false or multiple sheets of sheet or foil-like objects, requires a first pass of the corresponding flat object with a calibration and adjustment process, which is carried out automatically by microprocessor controlled. It is therefore in this method, a kind of teaching first on the thickness of the object with respect to an optimal measurement and frequency range required and continue in such a first pass the detection and storage of a corresponding threshold.
- the invention is therefore based on the object to design a generic method and apparatus for non-contact detection of flat objects, the or the very flexible and over a wide range of materials reliable detection of single, miscarriage or Multiple sheets with different sheet materials in particular allows for papers, which can be done without a teach-in step largely and different rays or waves as optical or acoustic type can be used.
- the invention takes into account that an immediate conversion of the measurement signal can be carried out in the context of an A / D conversion, whereby the digital values obtained are subjected to the measurement signal characteristic of the corresponding purely digital correction characteristic in order to achieve, as it were, directly the evaluable target characteristic ,
- This principle of the application of a correction characteristic also has the great advantage that different sensor devices, in particular as a barrier or barrier arrangement, eg in a fork shape, can be used, whereby advantageously ultrasonic sensors or optical sensors can be used, wherein for these sensors the same procedure can be used equally.
- the corresponding correction characteristic which may also consist of a combination of several correction characteristics, is impressed on the output side for the further amplification device Evaluation to obtain a well-evaluated target characteristic over the entire basis weight range.
- a subsequent process step e.g. can be realized in a microprocessor, the detection of the corresponding planar object with respect to certain thresholds, so that a clear detection signal is obtained single-sheet, missing sheet or multiple sheet.
- the method also provides that the measurement signal obtained in the receiver or its measurement signal characteristic is subjected directly to an analog-to-digital conversion, these digital values, taking into account a corresponding purely digital correction characteristic, to a target characteristic with generation of a corresponding Detection signals are processed.
- these measures provide the advantage that reliable detection of the corresponding flat objects over a very large grammage and basis weight range is achieved without the need for a teach-in process, which would lead to downtimes of the system.
- the dynamic range of the evaluation device is considerably expanded, so that the detection of very thin or very inhomogeneous materials that tend to flutter behavior, with good security is feasible.
- the method according to the invention therefore makes it possible, on the basis of the amplitude evaluation of the measurement signal obtained in the receiver, by means of correction characteristic curve and target characteristic curve, to reliably distinguish between single sheet, missing sheet and multiple sheet or double sheet, and this for very thin or very sound-transmissive objects, eg with a surface weight of 8 g / m 2 or about 10 microns thick, up to relatively thick and strong sound transmissive objects up to 4000 g / m 2 , for example, with a thickness of 4 mm, without a previous teach-in process safely differ.
- very thin or very sound-transmissive objects eg with a surface weight of 8 g / m 2 or about 10 microns thick, up to relatively thick and strong sound transmissive objects up to 4000 g / m 2 , for example, with a thickness of 4 mm, without a previous teach-in process safely differ.
- the phase of the measuring signal is fed to a phase evaluation in the invention in addition to the evaluation of the measured signals by means of correction characteristic curve as amplitude evaluation.
- a decision is made on a single, multiple or multiple arc.
- the added benefit of the information that can be obtained through the phase allows for a better and more accurate detection result.
- the grammage range in which the method according to the invention can be used is widened.
- phase difference between the emitted ultrasonic signal and the received ultrasonic signal is determined in phase.
- the evaluation of this phase difference has the further advantage that it is hardly dependent on the grammage of the permeated sheet but significantly on the material transitions, ie from the transition from air to sheet material and sheet material on air.
- the often very noisy signal e.g. when inserting a multiple arc
- a synchronous rectifier or correlator or lock-in amplifiers are determined.
- the use of an analogue or a digital output signal depends on the choice of further signal processing. However, other factors may also play a role in the choice of choice, e.g. the error sensitivity or durability of the components required for the respective evaluation.
- the two output signals of the phase and amplitude evaluation should be combined. So it is possible, if missing or double sheets are not overlooked in any case, to connect both signals with a logical OR. As a result, even the detection of a multiple arc via the phase evaluation or the amplitude evaluation leads to the sensor being able to output a corresponding signal for a multiple-arc detection. However, in this case, it is particularly preferable to combine the two signals with a logical AND in order to compare the results of the individual evaluations with one another again.
- a weighted comparison offers, for example, the advantage that, if a double sheet was detected in the phase evaluation, while in the amplitude evaluation the result "single sheet" differs only very slightly from a "double sheet", in the combination of the two signals a confirmation for a double sheet receive.
- An advantage can be seen in these methods be that decisions that are on the border of the decision area, the other evaluation method "overruled” or can be verified if there is a clear result. In this way, in general, a more accurate detection result can be achieved with higher probability.
- the invention also envisages taking account of correction characteristic curves which represent a combination of different correction characteristics, whereby these combined correction characteristics also only partially over partial areas of the entire grammage range can be applied.
- the correction characteristic can also sections as a linear or non-linear characteristic, as a single or multiple logarithmic curve, as an exponential curve, as a hyperbolic curve, as a polygon, be designed as a function of any degree or empirically determined or calculated characteristic or as a combination of several of these characteristics.
- the target characteristic for different material spectra is divided into three sections.
- a partial target characteristic for the grammage range above 1200 g / m 2 for very thick papers and another portion below 20 g / m 2 are formed on a very thin paper spectrum.
- the introduction of portions of the target characteristic thus allows for improved reliability in terms of single, false or multiple arc detection.
- the amplitude value is compared with threshold values based on the target characteristic. These are in particular an upper threshold for air and a lower threshold for double or multiple sheets.
- the received measurement signal with the corresponding value of the target characteristic is greater than the upper threshold value, this is evaluated as a "missing signature".
- a received measuring signal smaller than the lower threshold value means a “multiple or double sheet”. For a received measurement signal with the corresponding value on the target characteristic between the threshold values, this is detected as a "single arc”.
- the threshold values in particular for multiple sheets, can be permanently or continuously defined or designed to be carried dynamically.
- a dynamic double arch threshold can be used in this sense to an additional extension of the measurable grammages.
- the single sheet value can be measured and evaluated with the associated multiple sheet value, for example, as a polygon function, if this is a simple function, such as a descending straight line or a constant value for the single sheet.
- the sensor device preferably has at least one coordinated and coaxially aligned ultrasound transducer pair.
- the method and apparatus according to the invention are also applicable to optical sensors.
- the operating mode of the sensor device is selectable or switchable depending on the material spectra to be detected and the operating conditions as pulse operation or continuous operation.
- an inclined mounting of the sensor pair is preferable in order to avoid interference or standing waves by means of this measure.
- the continuous operation is designed, so to speak, as quasi-continuous operation, for example by periodically switching off the signal and switching it on again in comparison to the evaluation time of short periods of time. To avoid standing waves and phase jumps can be provided in the transmission signal.
- the transmission signal has also proved to be advantageous to modulate the transmission signal with at least one modulation frequency.
- tolerances of the transducers can be corrected or compensated in particular for ultrasonic sensors.
- the sensor elements are tuned to each other, they usually have different resonance frequencies. If a frequency sweep f s with a frequency significantly lower than the exciting frequency is used for a frequency modulation, the resonance maximum of the sensor elements is periodically exceeded. If the response time of the sensor is significantly less than 1 / f s , the transducer properties of each individual sensor element or pair of sensors can be used optimally for ultrasonic transmission in this way.
- the frequency sweep will normally be up to several 10 kHz.
- the tolerances of the sensor elements are expediently corrected automatically before or during operation. This is done by normalizing the sensor element pairs to a fixed value at a predetermined fixed distance, in particular the optimal mounting distance. As a result, bad sensor elements are made better and good sensor elements or converters made worse. To compensate for this, a correction factor is necessary. In accordance with the method, this can be done by using a straight line stored or calculated in the microprocessor ⁇ P as value pairs, since the measurement signal is already evaluated with, for example, a simple logarithmic correction characteristic and the correction characteristic has an approximately linearly falling target characteristic over the converter or Sensor element distance generated. This means that the input signal at the microprocessor of an evaluation device falls to a good approximation linearly with the transducer distance. Therefore, the correction of the values is easy even with variable distance, since when turning on a corresponding device only a straight line function for the correct initial value has to be calculated or stored as a value pair.
- the correct determination of sensor head spacing is made by a transit time measurement.
- a particular advantage of the method by means of ultrasound can be seen in the fact that the distance between transmitter and receiver in the sensor device for this teach-in-free method can be designed variably.
- the sensor device can be adapted relatively quickly to different applications with regard to their distance, without this affecting the precision of the measurement of the method.
- a further improvement of the method can be brought about by the monitoring of the distance between transmitter and receiver and its determination. This determination of the distance between transmitter and receiver can be realized on the one hand by reflection of the radiation between transmitter and receiver and on the other hand by means of reflection between the transmitter and receiver despite a present in the space sheet material, even a thick arc. If an exceeding of the permissible maximum sensor distance is determined, then the evaluation device, e.g. a microprocessor, a corresponding correction of the determined amplitude values of the measuring signal depending on the distance between transmitter and receiver perform.
- the evaluation device e.g. a microprocessor
- the orientation of the transmitter and receiver to each other in the main radiation direction, in particular coaxially to each other, with almost any inclination angle can be provided to the sheet plane.
- a feedback between the transmitter and the evaluation device in particular a microprocessor, can be provided, in order to obtain a maximum amplitude at the output taking into account the material specification of the planar objects to be examined and further operating conditions. It is also possible to control the optimum transmission frequency. With this measure, aging effects of the sensor elements can be compensated and a product test of the device according to the invention, be fully automated in a particularly advantageous embodiment of the invention in series production.
- a feedback is provided between the evaluation device and the transmitter, by means of which a maximization of the amplitude of the received measurement signal can be carried out. It is also preferred to provide a self-alignment between transmitter and receiver with regard to an optimal transmission frequency and / or amplitude.
- This self-adjustment can be carried out in times synchronized with the transmission frequency, in fixedly defined pause times or else via a separate input provided externally to the sensor device.
- the activation and selection of the corresponding channels and signals is preferably carried out via time-division multiplexing devices.
- the invention makes use of a combination in which, in addition to the evaluation of the amplitude of the measurement signal and its evaluation by means of a correction characteristic curve, the phase of the measurement signal is evaluated separately in order to obtain a detection signal for the detection of single, faulty and differential signals. or multiple sheets, in particular double sheets to obtain.
- phase evaluation the phase difference between the phase of the transmitter signal and the phase of the receiver signal is determined and evaluated in a simple manner.
- a combination of the signals of the two evaluations is performed.
- e.g. an AND or OR combination is performed.
- Another possibility of linking the two evaluations can be seen in a weighted comparison.
- the weighted comparison offers the advantage that e.g. in a phase evaluation with the tendency result "double sheet”, but the amplitude evaluation with unambiguous detection "single sheet”, it can be decided that the clearer decision outweighs and thus the entire detection result is output as a "single sheet”. Thus, a unique result can overrule or eliminate the other ambiguous result.
- the phase difference can be displayed as an analogue result or as a digital result.
- a comparator for an analog signal output may in particular comprise a synchronous rectifier.
- a digital signal output of the comparator in particular a frequency-sensitive phase detection can be performed.
- phase shifts may occur even with single sheets.
- phase shift is not determined primarily by the thickness of a flat object, but more by the nature of the boundary layers or interfaces, especially in double sheets or labels.
- phase position detection up to max. 360 ° (four arcs) of the signal, which is usually very noisy, can be effected in a particularly advantageous manner by a phase-synchronized rectifier (compare Tietze / Schenk, Springer Verlag).
- the phase evaluation By combining the amplitude evaluation according to the characteristic-correcting method with the phase evaluation, the method for multiple sheet recognition, which is already significantly improved by the correction characteristic curve correction method, becomes even safer.
- the phase evaluation also provides an additional decision criterion for improving the detection of multi-feed of flat objects.
- the material spectrum is limited to grammages of up to approximately 350 g / m 2 in the combination of characteristic-correcting methods and phase evaluation, which is sufficient in particular for use, for example, in copiers.
- FIG. 1 schematically shows the inventive method and a device with Blockschaltartigem structure and achievable at certain points voltage curves in the sense of characteristics over a grammage or basis weight range g / m 2 of a material to be detected spectrum.
- a corresponding sensor device 10 has, on the one hand, a transmitter T and an opposing receiver R aligned therewith, between which the flat objects to be detected, in the example, are moved without contact in an arc shape.
- a multiple arc is shown as double sheet 2.
- a possible stress curve UM is dependent on the grammage or grammage g /. m 2 for the measuring characteristic MK in Fig. 1a shown.
- threshold values such as e.g. for the air threshold or as a double arch threshold, to obtain clear intersection points with these threshold values or as large as possible voltage spacings to these threshold values.
- the principle according to the invention is therefore to take into account a correction characteristic and to impress it, for example, on the evaluation circuit downstream of the receiver, for which purpose the following amplifier device is particularly suitable for achieving a well evaluable target characteristic curve for reliable detection with the decision as to whether or not the desired grammage range is used a single bow, no bow or a multiple special double bow, is present.
- Such a correction characteristic KK is in Fig. 1b shown schematically.
- This correction characteristic which is in Fig. 1b the dependence between the output voltage U A of the input voltage U E shows only in principle, illustrates in comparison with the characteristic curve MK after Fig. 1a , which also shows only schematically the course of the measuring signal U M , that relatively high voltage values UM seen over the grammage range, little or no gain, while smaller voltage values, eg at relatively large basis weights (g / m 2 ) a much higher, possibly exponential gain experienced.
- the resulting target characteristic ZK with the voltage U Z as a function of the grammage (g / m 2 ) is in Fig. 1c also shown only schematically.
- the desired ZK can also be transformed from a pointwise mapping (implicit KK) of the measurement signal UM to the desired output signal U Z and thus the desired target characteristic ZK can be achieved. This requires an amplifier with adjustable gain, which then receives the correction characteristic from a uP.
- mapping of the measurement signal UM to the desired output signal U Z based on the KK can also be done instead of value discrete, so pointwise, also continuous value.
- the target characteristic shown has the solid line trace having three regions. A first and a third relatively steeply sloping region and a middle, only slightly inclined to the abscissa region comprising a large grammage range.
- the received at the receiver R measuring signal UM is fed to an evaluation device 4.
- the evaluation device 4 is shown in simplified form with the amplifier device 5 and downstream of a microprocessor 6.
- the amplifier device 5 is given or impressed in the example, the correction characteristic KK, so that at the output the target characteristic ZK1 and ZK2 is obtained for further evaluation in the microprocessor 6.
- the microprocessor 6 may then, taking account of stored or dynamically calculated data, such as threshold values, generate a corresponding detection signal with regard to single sheet, missing sheet or multiple sheet, in particular double sheets.
- FIG. 2 schematically shows the method and an apparatus for the detection of labels and similar materials, without a teach-in step would have to be performed.
- the reference numerals correspond to the reference numerals Fig. 1 ,
- the block-type structure shows a transmitter T, e.g. for the emission of ultrasonic waves, and an associated receiver R as a sensor device 10. Between transmitter T and receiver R labels 7 are passed.
- the aim of the device is therefore to recognize on the one hand, whether labels or no labels are present. On the other hand, it is also possible to determine the number of labels guided by the sensor device.
- the measurement signal UM or U E obtained in the presence of a label in the receiver R can, for example, have the characteristic curve progression over the grammage with approximately linear, nonlinear, exponential or the like gradient decreasing in a similar manner.
- the subsequent evaluation device which may have, for example, an amplifier device 5 and a microprocessor 6 connected downstream, receives a correction characteristic curve in the amplifier 5 which, for example, increases linearly (I.) or exponentially (II.) As in FIG Fig. 2b shown, can be designed.
- the correction characteristic for example after Fig. 2b reaches a target characteristic over the grammage range, as in Fig. 2c is represented by the curve I or II.
- This target characteristic ZK I has the course of a negative falling line, from smaller grammages to larger grammages, optimally achieved a constant slope and a maximum voltage difference for the output voltage U Z with small differences in grammages over the entire intended for the detection of labels grammage or basis weight range should be.
- the correction characteristic KK can also be a combination of individual different characteristics.
- Other correction characteristics such as logarithmic or multiple logarithmic can be used depending on the characteristic curve of the measuring signal UM and the gain characteristic.
- an ideal characteristic ZK I as in Fig. 2 shown to reach.
- the curves according to the Fig. 2a, 2b, 2c show two examples of different characteristics.
- Fig. 2d a schematic representation of the output voltage U A amplifier means over the grammage range with an exemplary course of a measured characteristic curve MK E for a label and the target characteristic ZK E shown how this is achievable taking into account the amplifier impressed correction characteristic KK.
- the illustration is exemplary for the detection of labels or splices.
- the measured value characteristic MK E is transformed by means of a suitable correction characteristic KK.
- each point of the measured value characteristic MK E is transformed continuously or discretely in digital systems, into a corresponding value on the target characteristic ZK E. This is shown for clarity by the arrows.
- the amplifier voltage can very easily be in the saturation range.
- the use of films in labels can also quickly reach the noise amplifier's borderline, since films damp very heavily.
- the method of characteristic correction can be used particularly advantageously, so that saturation of the measurement signal is avoided in the case of very thin and strongly attenuating materials, which ultimately ensures perfect detection of the presence or absence of labels.
- FIG. 3a shows a schematic representation of the principal dependence of a normalized output voltage signal U A / pu of a signal amplifier as a function of basis weight or grammage (g / m 2 ) with differently designed signal amplifiers for single and multiple arc, especially double sheet.
- the line I in Fig. 3a symbolizes a largely idealized curve in the output voltage of single arcs as a function of the grammage when using an approximately linear signal amplifier 5, wherein there is an approximate exponential decay of the voltage line.
- This voltage characteristic I still does not take into account a correction characteristic KK.
- the target characteristic II thus symbolizes a characteristic curve for the output signal in single sheets when using a logarithmic signal amplifier, wherein the target characteristic II has an approximately linear drop.
- This ideal target characteristic is in Fig. 3b marked with I.
- curve IIa symbolizes a multiple arc signal, in particular a double-sheet signal, with logarithmic correction characteristic, whereby approximately a single-exponential drop of the multiple arc characteristic IIa is achieved.
- Fig. 3b shows several target characteristics of single sheet with the representation of the normalized output voltage U A / pu of the signal amplifier as a function of the grammage or the basis weight (g / m 2 ) when using different signal amplifier.
- the top horizontal line with broken lines indicates the saturation limit or maximum supply voltage for a signal amplifier used as an example.
- the threshold value for air or a missing sheet is shown as an example at approximately 0.7 U A / pu. At a value of U A of about 0.125, the double-arc threshold and, below it, the threshold for the noise of electrical signal amplifiers is shown by way of example.
- the horizontal line I in Fig. 3b identifies an ideal target characteristic for single sheets.
- This ideal target characteristic shows no saturation for thin materials and has a high distance to the threshold of the noise or the double arch threshold.
- This ideal target characteristic means that the output voltage U A of the signal amplification would ideally result in a constant signal when various grammages or area weights are input.
- Curve II shows a non-linear target characteristic with two branches IIa and IIb, which is relatively difficult to realize because of the inflection point, but can be considered as a characteristic approximating the ideal target characteristic I for single-arc curves.
- the relatively shallow portions of IIa and IIb could be realized, the range IIa for lighter grammages can be conveniently realized via a nearly linear signal amplification.
- the area IIb for heavier grammages may e.g. be realized by means of a double-logarithmic signal amplification, the strong downward sloping kink proves to be too expensive in the technical realization due to the damping properties of papers with very high grammage.
- the curve III represents a target characteristic curve
- the end points of the curve II in the simplest way by means of a 2-point line Connection approximates an ideal course as shown in the curve I.
- this can be achieved by using a least single-logarithmic signal amplifier and shows the linearization of the measured values for single arcs over a large grammage range, taking into account a corresponding correction characteristic.
- the curve III has clear passages for the threshold values for air or for a double arc, so that clear switching points and detection criteria with respect to these threshold values are present.
- Target curves according to the curves I, II and III therefore allow unambiguous detections over a widened compared to the prior art material spectrum.
- the curve IV shown further shows an unsuitable target characteristic for single sheets.
- Such an asymptotic course should also be avoided with respect to the switching thresholds to air or to the double bow, because a clear differentiation of the states, missing sheets or double sheets would then be problematic due to small signal differences to these thresholds.
- the in the Fig. 1 . 2 . 3a and 3b shown principles therefore show, in the evaluation of the received measurement signal to use a signal amplification, which is given a correction characteristic which determines the characteristic of the output voltage U A / pu as a function of the grammage of the flat objects over a large grammage range inverse or almost inverse or the ideal characteristic curve for single arc detection approximates the target characteristic in a suitable manner.
- a linear or almost linear dependence between the measurement signal U E received by the receiver and the signal voltage U A at the output of the signal amplifier is achieved.
- Fig. 4a shows schematically in the Cartesian coordinate system with the material spectrum g / m 2 on the abscissa and the percentage signal output voltage U A on the ordinate an exemplary course of a measured value characteristic MK DB for the detection of single or double sheet.
- the required correction characteristic KK DB is also shown for this example. From this, it can be seen that, initially, a transformation of the points of the measured value characteristic curve MK in the direction of the arrows P downwards and then for larger grammages, an upward transformation to achieve the ideal target characteristic ZK i for single sheet detection.
- the example after 4b shows corresponding curves of the characteristic curves for labels.
- the measured value characteristic MK E is shown as an example with a solid line.
- the ideal target characteristic ZK E represents a straight line with a negative slope or a high lift.
- the correction characteristic curve KK E required for the transformation is shown with an interrupted polyline and, in this case, has a point of discontinuity at the intersection between measured value characteristic curve MK E and target characteristic curve ZK E.
- the Fig. 4c schematically shows the profile of the characteristics for the single or double sheet recognition for a case in which not the ideal target characteristic, but a real target characteristic ZK DBr is achieved.
- the real target characteristic ZK DBr therefore has therefore, a hub H DBr that is greater than 0.
- the plotted measured characteristic curve MK DB could be transformed into the target characteristic ZK DBr by impressing, for example, the correction characteristic KK DB , as an upper, solid line trace . This transformation is indicated by the arrows P.
- FIG. 4d schematically shows the transformation of a measured value characteristic MK DB for single or double sheet recognition to the desired target characteristic ZK DB .
- the abscissa denotes the material spectrum g / m 2 , wherein the realistic measuring range M DBr is indicated.
- the ordinate indicates the signal output voltage U A of the measured value as a percentage. This corresponds approximately to the attenuation dB.
- the virtual end points E1 and E2 are shown as imaginary intersections of the measured value characteristic MK DB with the target characteristic ZK DB .
- a correction characteristic KK DB is necessary to obtain a linear target characteristic ZK DB, as shown in broken line between the end points E1 and E2.
- the idea is therefore to transform the measured value characteristic curve MK DB in the direction of the arrows to the real target characteristic ZK DB . This is achieved, so to speak, by a reflection of the measured value characteristic MK DB on the axis ZK DB after coordinate transformation.
- FIG. 4e schematically shows the transformation of the measured value characteristic MK E for labels in the desired, ideal target characteristic ZK E by means of the required correction characteristic KK E.
- the correction characteristic KK E can be obtained by mirroring MK E at the axis of the target characteristic ZK E after the coordinate transformation (see Fig. 4f ) can be achieved.
- Fig. 4f represented coordinate transformation shows simplifying the displacement for a rectilinear coordinate system x, y by an angle ⁇ .
- X, y are eg the axes of the Cartesian rectilinear coordinate system.
- the new coordinate reference system is given by the imaginary reference axis of the target characteristics ZK DB or ZK E.
- the Fig. 4g for the single bow shows the ideal target characteristic ZKi, which ideally runs in a straight line, without incline, ie is constant.
- the stroke H i 0 over the entire ideal range over the material spectrum M i .
- the arrow in the diagram indicates the transition from the ideal target characteristic ZK i to real target characteristics, eg ZK 1 or ZK 2 .
- the Fig. 4h shows a comparable diagram to target characteristics ZK for the label recognition.
- the ideal target characteristic ZK i for the label recognition in this case has a maximum stroke H i over a relatively large area of the material spectrum, which is characterized as an ideal material spectrum M i .
- real target characteristic curves ZK 1 in label recognition deviate from the ideal target characteristic ZK i in the direction of the arrow. Accordingly, the more real target characteristic ZK 1 has a smaller stroke H 1 and also a smaller material spectrum M 1 .
- a measured value characteristic MK shown, which could be used for a specific material spectrum for single or double sheet detection.
- the illustrated target characteristic curves ZK 1 and ZK 2 can therefore be derived from the measured value characteristic MK and the correction characteristic KK essentially by the difference.
- Fig. 4j also shows schematically characteristic curves for single or double sheet recognition.
- the measured value characteristic curve MK is derived in this example approximately from a weighted hyperbola.
- the correction characteristic KK is a correction characteristic derived from a logarithmic function.
- the measured value characteristic MK can be transformed in this example, taking into account the correction characteristic KK to a target characteristic ZK, which corresponds approximately to an ideal target characteristic for the single and a double sheet recognition.
- Fig. 5a schematically the overlap of two single sheets is shown, so that in the overlap region of a double sheet 11 can be spoken.
- This double sheet 11 is to consist of two sheets of paper, wherein the space between the two single sheets is a different material from their material. Since a non-contact detection is provided, it can be assumed that on both sides of the double arc air with the parameter Z 0 is present and also the intermediate medium in the overlap region of the single sheets of air with Z 0 , which as air cushion by the surface roughness of the materials in this Double sheet is present.
- the direction of action of the measuring method for example by means of ultrasound, in the example is perpendicular to the double-sheet region, so that a transmitted ultrasonic signal in such a "real double-sheet" by the multiple refraction over at least three interfaces is very small, ie the transmission factor over three layers ideally goes to zero.
- a double sheet may be considered as a material structure having a lamination or a nesting layer and in one of the spaces between the lamination, at least one of the various sheet materials different medium, in particular air, is present, which is the sheet materials in the case of an ultrasonic measuring method has a significantly different acoustic resistance and thus leads to signal reflections.
- signal attenuation due to signal refraction and reflection is so great that the emitted signal is disproportionately attenuated. In other measurement methods, this affects the opacity and the surface finish and color and thickness, another dielectric, other electro-magnetic conductivity or other magnetic damping.
- a double sheet 12 is shown with splice 13.
- the direction of action of the measuring method used which in turn is assumed to be ultrasound, is indicated by arrows.
- connection is done predominantly by means of at least one part of the area or over the entire surface adhering medium, in particular by means of one or two sides provided adhesive and adhesive tape or adhesive.
- a splice for a method by ultrasound means an "acoustic short circuit" by the gap between the upper arch Z 1 and lower arch Z 2 filling and intimately bonding adhesive layer, above and below the single arc air with Z 0 is assumed ,
- a splice could therefore be detected in the detection method by means of ultrasound essentially as a single sheet with a high grammage.
- Fig. 5c schematically two embodiments of labels 15, 17 are shown.
- label is understood to mean at least one or more material layers or material layers adhesively applied to a base or carrier material.
- the layered material behaves e.g. With respect to the sound transmission to the outside as a connected piece of material, so that in some cases no significant attenuation of the respective physical quantities is present, but only a comparatively low, but still well evaluable damping. Possible inhomogeneities in the carrier material or applied material are not taken into account in this consideration, since in particular labels can be assumed to be of a defect-free material.
- the label 15 follows in the example Fig. 5c an upper material with the parameter Z 2 applied to a carrier material by means of an intimate adhesive bond. There is air with parameter Z 0 on both sides of the label. As a result of this intimate adhesive bond, an acoustic short circuit exists between the materials in a detection method by means of ultrasound, so that an analogy to splices can follow Fig. 5b is available.
- Fig. 6 is shown schematically and block-like a device for false, single and multiple sheet detection, the correction characteristic is generated as a combination of individual characteristics.
- the correction characteristic resulting after the amplifiers is realized in the example with a first correction characteristic in the amplifier device 21 and at least a second correction characteristic in the amplifier device 22, which is connected in parallel.
- the present at the output of the receiver R measurement signal or its characteristic curve over the grammage is therefore subjected to a combined correction characteristic to obtain a well-evaluated target characteristic 23, which is further evaluated in a microprocessor 6.
- this can also be realized in a signal amplifier or in a plurality of individual signal amplifiers connected in series or in parallel to produce the overall amplification.
- the realization of the correction characteristic can therefore be done in various ways, since the main idea of the invention to perform single sheet, missing sheet or multiple sheet detection, and this is maintained over a large grammage range without having to integrate a teach-in process.
- Fig. 7 the schematic and block diagram like structure of a modified device for implementing the invention is shown.
- the measurement signal of the receiver R is subsequently fed to an amplifier device 24 whose signal output is routed to a microprocessor 6.
- the microprocessor 6 allows in this example via the feedback in the path A set a predetermined correction characteristic over the symbolized potentiometer 25.
- a corresponding correction characteristic is calculated by means of the microprocessor 6 and the obtained or stored data and fed back via the path B to the amplifier means 24 and impressed.
- the determined correction characteristic curve C can be impressed in a discrete-value or continuous-value manner over the path B of the amplifier device 24 or the evaluation of the amplified output signal can be carried out directly in the microprocessor 6 on the basis of the correction characteristic curve C.
- Fig. 8 is shown in a schematic representation of the empirical determination of a measurement signal characteristic.
- a large number of materials customary in the market are passed between the transmitter T and the receiver R, and the corresponding measurement signal characteristic is determined via this.
- the measuring range is determined by the introduction of the thinnest available sheet material A and the thickest sheet material B to be detected.
- the measurement signal characteristic determined in this way can then be supplied to the further processing system, for example a microprocessor in order to determine a largely optimal correction characteristic for this measurement signal characteristic in order to achieve the required target characteristic.
- the further processing system for example a microprocessor in order to determine a largely optimal correction characteristic for this measurement signal characteristic in order to achieve the required target characteristic.
- Fig. 9 schematically a device 40 for non-contact detection of multiple sheets A, without the implementation of a teach-in step, and the detection of adhesively applied to a substrate material layers B, for example, labels shown.
- An essential idea here is to transmit the measurement signal evaluation for multiple arcs to a separate channel A with the corresponding correction characteristic curve and, in parallel, to supply the measurement signal evaluation for labels B to a separate channel B with adapted correction characteristic curve.
- the measurement signal obtained at the output of the receiver R is therefore switched to the corresponding channel A or channel B via a multiplexer 34 controlled by the microprocessor 6.
- the signal amplification in channel A is subject to a separate correction characteristic with optimum design for multiple arc detection.
- the signal gain in channel B is subject to a correction characteristic for the label measurement signal.
- Both channels A, B are fed via a subsequent multiplexer 35, which is also microprocessor-controlled, the downstream microprocessor 6 for further evaluation and detection of multiple sheet or label.
- This device 40 is suitable both for the detection by means of ultrasonic waves.
- the essential advantage is the targeted possibility of including the respectively most suitable correction characteristic curves for fundamentally different measuring tasks, namely for the most diverse types of material, such as in the present case multiple sheets and labels, for evaluation.
- Fig. 10 schematically shows a graph of the normalized output voltage U A in% as a function of the grammage.
- the target characteristic curve 42 of a single arc with logarithmic amplification over the grammage range is entered.
- the double arched threshold can be provided dynamically, whereby this can be done constantly over sections of the grammage range. This is illustrated by the lines B1, B2 and B3.
- the dynamic setting of the double-bowed threshold is also linear or as a polynomial of arbitrary degree running adjustable, as shown for example between the points P1, P2, P3 and P4.
- the Fig. 11 concerns a largely similar diagram as the Fig. 10 , wherein the course of the target curve 42 for the single bow over the entire grammage range largely matches.
- the dynamic threshold MBS is plotted for the multiple arc and its course between the points P1a, P2a and P3a.
- the curve 44 marks the upper value of the flutter area for a single arc and the curve 45 the lower value of the flutter area for a single arc.
- Fig. 12a, 12b schematically shows the basic arrangement for the detection of single-walled corrugated board 51 and two-wave corrugated board 60 and the running direction L, taking into account two sensors 61, 62, in particular ultrasonic sensors shown.
- the corrugated cardboard 51 after Fig. 12a is single-walled and has at its Adscosionsticianen with a lower bottom layer 52 and an upper cover layer 53 adhesive regions 54 and bottom and top layer connecting webs that span a wave surface 55th
- the example in the example Fig. 12a used sensor has on the one hand the transmitter T and the receiver R, which are aligned coaxially with each other in their main axis.
- the alignment of transmitter T and receiver R is preferably carried out approximately perpendicular to the largest wave surface 55 or at an angle ⁇ 1 to the perpendicular of the single-walled corrugated board.
- the further stated angle ⁇ 2 marks the angle between the perpendicular to the corrugated board and the surface direction of the main surface of the shaft.
- the optimum angle ⁇ 1 for sound coupling in an ultrasonic sensor on a single-walled corrugated board, which has a required acoustic short AK between ground layer 52 and cover layer 53, is determined by the slope t / 2h.
- t is the distance between two wave crests and h the height of the shaft or the distance between the bottom layer and top layer.
- a two-ply corrugated board 60 having the lower first shaft 58 and the upper second shaft 59 is shown.
- the arrangement of an ultrasonic sensor T, R corresponds to the Fig. 12a ,
- Essential for the detection in the case of twin-wave or multi-corrugated corrugated boards is also the acoustic short circuit AK1 and AK2 between the individual layers, i. a material connection in the sense of a web connected to the layers for connecting the individual cover layers.
- AK1 and AK2 a material connection in the sense of a web connected to the layers for connecting the individual cover layers.
- Fig. 13 shows the schematic representation of a device 60, in which the evaluation of the amplitude is combined by means of correction characteristic curve and with an evaluation of the phase.
- the signal generated by a signal generator 63 for example ultrasound signal, is fed to a transmitter T and emitted.
- the measurement signal received by the receiver R is dependent on the number of planar objects in the transmitter-receiver gap.
- the measurement signal of the receiver R is then on the one hand supplied to an evaluation device 61, which is impressed at least one correction characteristic.
- the detected by the amplitude evaluation detection signal for missing, single or multiple sheets is present. This is then applied to a microprocessor 64 for linking and e.g. logical evaluation together with the signal determined via the phase evaluation.
- the device 60 has a synchronous rectifier 62. This receives on the one hand the signal and the phase at the output of the signal generator via the path 67. On the other hand, via the line 68, the measuring signal and the corresponding phase at the output of the receiver R are fed to the synchronous rectifier. Due to the phase difference formed in the synchronous rectifier 62 thus a detection signal can be generated, which is the number of existing sheets, or the number of layers on a Base carrier adhering layers, or the splices or labels corresponds.
- Both signals from characteristic-corrected amplitude evaluation and phase evaluation are supplied in the example to the microprocessor 64, at the output of which the combined detection signal for determining the presence of a single sheet, a missing sheet or a multiple sheet is obtained.
- the output signal 65 represents the detection signal for the number of determined area objects or arcs.
- amplitude and phase both parallel and optionally as a single signal, but also as a weighted signal, amplified and evaluated.
- the invention provides a device-to-device solution for the reliable detection of single sheets, false sheets and multiple sheets, especially double sheets, not only over a very broad grammage and basis weight range, but also in terms of flexible uses and different material spectra.
Landscapes
- Controlling Sheets Or Webs (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Description
- Die Erfindung betrifft Verfahren zur berührungslosen Detektion von flächigen Objekten gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 8.
- Verfahren und Vorrichtungen dieser Art werden z.B. in der Druckindustrie eingesetzt, um bei Papier, Folien oder ähnlichen flächigen Materialien im Druck- und Fertigungsvorgang festzustellen, ob ein Einfachbogen oder Mehrfachbögen bzw. ein Fehlbogen vorliegt. Üblicherweise ist das Erfordernis beim Druckvorgang einen Einfachbogen vorliegen zu haben, während bei der Feststellung eines Mehrfachbogens, z.B. eines Doppelbogens eine Aussonderung eines derartigen Doppelbogens zum Schutz der Druckmaschine normalerweise erforderlich ist. In analoger Weise wird auch bei der Feststellung, dass kein Einfachbogen vorliegt, sozusagen ein "Fehlbogen" vorhanden ist, der normale Druckvorgang abgeändert oder unterbrochen bis wieder ein Einfachbogen detektiert wird.
- Im vergleichbarer Weise werden diese Verfahren und Vorrichtungen auch in der Verpackungsindustrie eingesetzt, in der beispielsweise auf Grund- oder Trägermaterial aufgebrachte Etiketten gezählt oder auf Vorhandensein oder Nichtvorhandensein geprüft werden. Ein weiterer Einsatzbereich ist das Erkennen von Aufreißfäden oder Abrissstellen, insbesondere bei dünnen, als Umhüllung benutzten Folien, wie z.B. Zigarettenpackungen.
- Aber auch metallkaschierte Papiere, flächige Kunststoffbögen oder Folien und Bleche lassen sich mittels derartiger Verfahren und Vorrichtungen berührungslos in Fertigungsvorgängen detektieren.
- Das bei einem gattungsgemäßen Verfahren und einer Vorrichtung eingesetzte Messprinzip bei Verwendung von z.B. Ultraschall und der Detektion von Papieren in flächiger Bogenform, beruht darauf, dass die vom Sender emittierte Ultraschallwelle das Papier durchdringt und der transmittierte Anteil der Ultraschallwelle vom Empfänger als Messsignal empfangen wird und bezüglich seiner Amplitude ausgewertet wird. Beim Vorliegen eines Mehrfach- bzw. Doppelbogens stellt sich daher im Empfänger eine wesentlich kleinere Amplitude ein, als beim Vorliegen eines Einfachbogens.
- Die nachfolgende Auswertung des empfangenen Messsignales erfolgte bisher in der Praxis mit näherungsweise linear arbeitenden Verstärkern oder ähnlich ausgelegten Verstärkungsschaltungen und nachgeschalteten Filtern. Durch den dabei vorliegenden relativ geringen Dynamikbereich, insbesondere von linearen Verstärkern, waren dicke Papiere, Kartonagen oder gar Wellpappe oftmals schwierig oder nicht zu detektieren. Zudem war das Flatterverhalten, das insbesondere bei sehr dünnen Papieren bzw. Folien oftmals auftritt, wobei hierunter eine Bewegung des dünnen, flexiblen Bogens während der Detektion zwischen Sender und Empfänger in Richtung der Bogennormalen verstanden wird, nur unzureichend mit derartigen Verstärkern zu beherrschen. Ein vergleichbares Verhalten offenbaren stark inhomogene Materialien.
- Im Hinblick auf eine bessere Beherrschung der vorausgehend genannten Probleme, speziell bei stark unterschiedlicher materialspezifischer Dämpfung des transmittierten Signals, wobei im Weiteren in Anlehnung an die Praxis diesbezüglich nur noch von Flächengewichten und Grammaturen gesprochen wird, wurde ein Einlernverfahren bzw. ein Teach-in-Schritt durchgeführt. Hierbei wird vor Beginn des eigentlichen Detektionsverfahrens das zu detektierende flächige Objekt, wie z.B. ein Papierbogen, im Hinblick auf seine Grammatur bzw. seine Schallabsorptionscharakteristik erfasst und der Auswerteeinrichtung im Sinne eines Einlernens eingegeben.
- Ein erheblicher Nachteil besteht darin, dass bei anderen flächigen Objekten mit unterschiedlicher Grammatur erneut ein entsprechender Teach-in-Schritt durchgeführt und eingelernt werden muss, was einerseits aufwändig ist und andererseits üblicherweise zu erheblichen Stillstandszeiten bei den entsprechenden Anlagen führt.
- Im Hinblick auf die Materialspezifikationen zu Papieren wird auf die vorliegenden Normen hingewiesen, wozu exemplarisch auf DIN-Taschenbuch 118 (Ausgabe 2003-06), DIN-Taschenbuch 213 (Ausgabe 2002-12), DIN-Taschenbuch 274 (Ausgabe 2003-06), DIN-Taschenbuch 275 (Ausgabe 1996-08), oder bezüglich Wellpappe auf DIN 55468-1 verwiesen sei.
- Aus der
DE 200 18 193 U1 bzw.EP 1 201 582 A ist eine Vorrichtung zur Detektion von Einfachbögen oder Mehrfachbögen bekannt. Zur Detektion dieser Bögen weist diese bekannte Vorrichtung wenigstens einen kapazitiven Sensor und wenigstens einen Ultraschallsensor auf. Hierbei ist eine Auswerteeinheit zur Ableitung eines Signals für die Feststellung des Einfachbzw. Mehrfachbogens vorgesehen. Dieses Signal wird aus einer logischen Verknüpfung der Ausgangssignale der Sensoren abgeleitet, wobei das zutreffende Detektionssignal in einer Abgleichphase festgelegt wird. - Eine andere Vorrichtung ist als kapazitiver Sensor aus der
DE 195 21 129 C1 bekannt. Diese primär auf die berührungslose Detektion von Etiketten auf einem Trägermaterial abzielende Vorrichtung arbeitet mit zwei Kondensatorelementen und einem die se beeinflussenden Oszillator. Die dielektrischen Eigenschaften des Papiers bzw. von anderen flächigen Objekten beeinflussen daher den Schwingkreis des Oszillators hinsichtlich der Frequenz, welche zur Detektion ausgewertet wird. - Nachteilig hierbei ist jedoch, dass relativ dünne Papiere nur schwer oder gar nicht detektiert werden können, ebenso wie metallkaschierte Papiere. Auch sehr dünne Folien sind aufgrund ihrer geringen Dicke und der teils nur wenig von eins verschiedenen Dielektrizitätskonstante nur schwer zu detektieren.
- Weitere Detektionsverfahren mit Ultraschall-Näherungsschaltern sind z.B. in der
EP 0 997 747 A2 bzw.EP 0 981 202 B1 beschrieben. Bei diesen tastenden Sensoren erfolgt ein automatischer Frequenzabgleich, in dem nach dem Aussenden eines Ultraschallimpulses und anschließender Reflektion an dem zu detektierenden Objekt, die optimale Sendefrequenz in Abhängigkeit von der Höhe der empfangenen Ultraschall-Echoamplitude ausgewertet wird. - Eine andere Vorrichtung der Eingangs genannten Art ist aus der
DE 203 12 388 U1 bekannt. Diese mit Ultraschall arbeitende Vorrichtung ermittelt über die Transmission und Reflektion der Strahlung die Anwesenheit und Stärke der entsprechenden Objekte. Allerdings verwendet diese Vorrichtung auch Referenzreflektoren, so dass ein relativ aufwändiger Aufbau der Vorrichtung vorliegt. - Weiterhin ist aus der
DE 297 22 715 U1 eine induktiv arbeitende Vorrichtung zur Messung der Dicke von Blechen bekannt, welche aus Nichteisenmetallen oder Eisenmetallen bestehen können. Die Messung der Dicke der Bleche erfolgt hierbei über die Auswertung der Arbeitsfrequenz eines Frequenzgenerators bzw. über die Auswertung seiner Amplitude. Zur Einstellung dieser Vorrichtung bedarf es zunächst eines Teach-in-Schrittes, bei dem ein Eichblech in den Messraum eingeführt wird und die Arbeitsfrequenz bzw. die Amplitude des Frequenzgenerators entsprechend einer Standard-Dickenkurve eingestellt wird. - Mittels dieser Vorrichtung kann zwar eine Unterscheidung zwischen Einfach-, Fehl- und Mehrfach-Blechen durchgeführt werden, wobei hierzu jedoch unterschiedliche Standard-Dicken-kurven gespeichert und zu dieser Entscheidung ausgewertet werden müssen. Zudem eignet sich diese Vorrichtung zu einer Detektion von Blechdicken bis zu ca. 6 mm. Die Detektion dünner Bleche oder Folien ist aufgrund der geringen Änderung der Dämpfung nicht sehr sicher.
- In der
DE 44 03 011 C1 wird eine Vorrichtung zur Vereinzelung von unmagnetischen Blechen beschrieben. Hierzu ist vorgesehen, dass ein Wanderfeldinduktor bei Vorliegen eines Doppelbleches eine entgegengesetzt zur Förderrichtung des Blechpaketes vorgesehene Kraft ausübt, so dass das vorliegende Doppelblech in zwei Bleche vereinzelt wird. Für nichtmetallische flächige Objekte oder Folien ist diese Vorrichtung vollkommen ungeeignet. - Die
DE 42 33 855 C2 beschreibt ein Verfahren zur Kontrolle und zum Erkennen von Inhomogenitäten bei Bögen. Dieses Verfahren arbeitet optisch und auf der Grundlage einer Transmissionsmessung. Allerdings besteht insbesondere bei der Kontrolle von Papierbögen im Hinblick auf Einfach- und Mehrfachbögen das Problem, dass aufgrund der Materialbeschaffenheit der Bögen sehr starke Schwankungen aufgrund von Inhomogenitäten oder dem Reflektionsverhalten und dem Flattern der Bögen hervorgerufen werden. Zur Überwindung dieses Problems sieht diese Druckschrift eine Messwertauswertung mit Hilfe der Fuzzy-Logik-Regeln vor. - Aus der
US 6,511,064 B1 und in vergleichbarer Weise aus derDE 36 20 042 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Mehrfachbögen bekannt, wobei diese Verfahren und Vorrichtungen auf Ultraschallbasis arbeiten und sowohl eine Amplituden- wie auch Phasendifferenz-Auswertung für das Detektionssignal berücksichtigen. - Allerdings besteht hierbei der Nachteil einer relativ aufwändigen, digitalen Verarbeitung der Messsignale, wobei Unsicherheiten und Ungenauigkeiten bei der Amplitudenauswertung im Hinblick auf Störgrößen und Verstärkungsprobleme verbesserungsbedürftig sind.
- Daneben besteht bei der
US 6, 511, 064 B1 das Problem im Hinblick auf die Amplitudenauswertung, dass bei diesem System der Abstand zwischen Sender und Empfänger fest vorgegeben sein muss, um die Auswertung der Amplitude realisieren zu können. Bei derDE 36 20 042 A1 kommt hinzu, dass zwei Sensoreinrichtungen als Wandlerpaare notwendig sind und daher diese Vorrichtung relativ teuer ist. Es ist normalerweise auch ein Teach-in-Schritt mit Abgleich auf das Papiergewicht des zu detektierenden Materials erforderlich. - Zudem zeigt sich bei der Phasenauswertung, dass nur relativ dünne Papiere, wie sie insbesondere in Druckern verwendet werden, im Hinblick auf Mehrfachbögen detektiert werden können. Auch muss die Wellenlänge des Ultraschallsignales im Vergleich zur Papierdicke relativ lang sein, üblicherweise niederfrequent, z.B. im Bereich von 40 kHz, um eine gute Durchdringung der Bögen zu erreichen.
- Aus der
US 2003/0006550 ist ein Verfahren bekannt, das auf der Basis von Ultraschallwellen und der Phasendifferenz zwischen einer Referenzphase und der empfangenen Phase, eine digitale Auswertung durchführt, und auf dieser Basis ein Signal zur Bestimmung von Fehlbogen-, Einfach- oder Mehrfachbogen ermittelt. Die alleinige Auswertung der Phasendifferenz kann jedoch bei speziellen Papieren bzw. Folien unzureichend sein und zu Fehlinformation führen, was bei einer sicheren Detektion ausgeschlossen werden sollte. - Ein insbesondere zur Zählung von Banknoten, aber auch bei anderen Papieren und Folien einsetzbares Verfahren, ist aus der
DE 30 48 710 C2 bekannt. Dieses Verfahren, das auf die Bestimmung des Flächengewichtes bzw. der Dicke der zu erfassenden Materialien abstellt, arbeitet mit impulsförmigen Ultraschallwellen, wobei zur Detektion eines Doppelbogens, d.h. dem Vorliegen zweier überdeckender oder überlappender Banknoten, insbesondere die Auswertung der Integration der Phasenverschiebung eingesetzt wird. Der Einsatzbereich dieses Verfahrens ist daher primär auf das Zählen von Banknoten bzw. von vergleichbaren Papieren und Folien unter Berücksichtigung der Flächengewichte derartiger Materialien ausgerichtet. Für den Einsatz bei Verpackungsmaterialien oder dem Zählen von Etiketten erscheint daher dieses. Verfahren ungeeignet. - Ein weiteres Verfahren auf akustischer bzw. Ultraschall-Basis ist aus der
DE 40 22 325 C2 bekannt. Dieses Verfahren, das auf die Kontrolle von Fehl- oder Mehrfachbögen von blatt- oder folienartigen Gegenständen abstellt, benötigt einen Erstdurchlauf des entsprechenden flächigen Gegenstandes mit einem Eich-und Einstellvorgang, der mikroprozessorgesteuert selbsttätig durchgeführt wird. Es ist daher bei diesem Verfahren eine Art Teach-in zunächst auf die Dicke des Objektes in Bezug auf einen optimalen Mess- und Frequenzbereich erforderlich und weiterhin bei einem derartigen Erstdurchlauf das Erfassen und Abspeichern eines entsprechenden Schwellwertes. - Im Anwendungsbereich der Detektion bzw. des Zählens von Etiketten sind vergleichbare Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Hierbei ist zunächst der Unterschied bei einer Etikette zu sehen, da diese auf einem Grund- oder Trägermaterial als aufgebrachte Materialschicht vorgesehen ist. Dieses geschichtete Material verhält sich nach außen hin im Hinblick auf Opazität, das Dielektrikum, die elektromagnetische Leitfähigkeit oder die Schalllaufzeit wie ein verbundenes Materialstück, so dass es bei diesen Detektionsmöglichkeiten nur zu einer vergleichsweisen geringen Bedämpfung kommt, die jedoch noch auswertbar ist.
- Aus der
DE 199 21 217 A1 ist zusammen mit derDE 199 27 865 A1 undEP 1 067 053 B -1 eine Vorrichtung zur Detektion von Etiketten bzw. flächigen Objekten bekannt. Diese Vorrichtung nutzt Ultraschallwellen mit einer Modulationsfrequenz, wobei zur Unterscheidung von Einfach- und Mehrfachbögen ein Schwellwert während eines Abgleichvorganges bzw. eines Teach-in-Schrittes bestimmt wird. Mittels des Teach-in-Schrittes ist die Detektion zwar auf das spezielle flächige Objekt im Sinne eines Etiketts einstellbar. Dieser Teach-in-Schritt macht jedoch die vorrichtung komplexer und erfordert längere Einstellzeiten beim Wechsel auf ein anderes flächiges Objekt. Dies zeigt, dass ein größeres Materialspektrum nicht per se, sondern nur abgestimmt auf das spezifische einzelne Material, detektiert werden kann. - Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von flächigen Objekten zu konzipieren, das bzw. die sehr flexibel und über ein großes Materialspektrum eine sichere Detektion von Einfach-, Fehl- oder Mehrfachbögen bei unterschiedlichen flächigen Materialien insbesondere bei Papieren ermöglicht, wobei weitgehend ohne Teach-in-Schritt ausgekommen werden kann und unterschiedliche Strahlen bzw. Wellen wie optischer oder akustischer Art einsetzbar sind.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bei Vorrichtungen durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
- Die Erfindung berücksichtigt, dass eine unmittelbare Umwandlung des Messsignales im Rahmen einer A/D-Wandlung durchgeführt werden kann, wobei die dabei erhaltenen digitalen Werte der Messsignal-Kennlinie der entsprechenden rein digitalen Korrektur-Kennlinie unterworfen werden, um sozusagen unmittelbar die auswertbare Zielkennlinie zu erreichen.
- Dieses Prinzip der Anwendung einer Korrektur-Kennlinie hat zudem den großen Vorteil, dass unterschiedliche Sensoreinrichtungen, insbesondere als Schranken- bzw. Schrankenanordnung, z.B. in Gabelform, verwendet werden können, wobei vorteilhafterweise Ultraschall-Sensoren oder optischer Sensoren eingesetzt werden können, wobei für diese Sensoren gleichermaßen dasselbe Verfahren verwendet werden kann.
- Sofern verfahrensmäßig das am Ausgang des Empfängers bzw. des Messsignalwandlers erhaltene Messsignal zur weiteren Auswertung einer Signalverstärkung unterzogen wird, wird vorzugsweise der entsprechenden Verstärkereinrichtung die entsprechende Korrektur-Kennlinie, die auch aus einer Kombination mehrerer Korrektur-Kennlinien bestehen kann, eingeprägt, um ausgangsseitig zur weiteren Bewertung eine gut auswertbare Zielkennlinie über den gesamten Flächengewichtsbereich zu erhalten. Mittels dieser Zielkennlinie kann dann in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt, der z.B. in einem Mikroprozessor realisiert werden kann, die Detektion des entsprechenden flächigen Objektes im Hinblick auf bestimmte Schwellwerte erfolgen, so dass ein klares Detektionssignal zu Einfachbogen, Fehlbogen oder Mehrfachbogen erhalten wird.
- Als Alternative sieht das Verfahren auch vor, dass das im Empfänger erhaltene Messsignal bzw. dessen Messsignal-Kennlinie direkt einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen wird, wobei diese digitalen Werte unter Berücksichtigung einer entsprechenden rein digitalen Korrektur-Kennlinie zu einer Zielkennlinie mit Erzeugung eines entsprechenden Detektionssignales verarbeitet werden.
- Erfindungsgemäß erreicht man mit diesen Maßnahmen den Vorteil, dass man eine sichere Detektion der entsprechenden flächigen Objekte über einen sehr großen Grammatur- und Flächengewichtsbereich ohne das Erfordernis eines Teach-in-Vorganges erreicht, was zu Stillstandzeiten der Anlage führen würde. Zudem wird der Dynamikbereich der Auswerteeinrichtung erheblich erweitert, so dass die Detektion sehr dünner oder sehr inhomogener Materialien, welche zu Flatterverhalten neigen, mit guter Sicherheit realisierbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es daher auf der Basis der Amplitudenauswertung des im Empfänger erhaltenen Messsignales, mittels Korrektur-Kennlinie und Zielkennlinie eine sichere Unterscheidung von Einfachbogen, Fehlbogen und Mehrfach- bzw. Doppelbogen, und dies für sehr dünne bzw. sehr schalltransmissive Objekte, z.B. mit einem Flächengewicht von 8 g/m2 bzw. ca. 10 µm Dicke, bis zu relativ dicken und stark schallintransmissiven Objekten bis zu 4000 g/m2, z.B. mit einer Dicke von 4 mm, ohne einen vorherigen Teach-in-Vorgang sicher zu unterscheiden.
- Um eine bessere Unterscheidung zwischen Einzel-, Fehl- und Mehrfachbogen fällen zu können, wird bei der Erfindung zusätzlich zur Auswertung der Messsignale mittels Korrektur-Kennlinie als Amplitudenauswertung auch die Phase des Messsignales einer Phasenauswertung zugeführt. Durch eine Verknüpfung dieser beiden Auswertungen wird eine Entscheidung über einen Einfach-, Fehl- oder Mehrfachbogen getroffen. Durch das zusätzliche Nutzen der Informationen, die durch die Phase erhalten werden können, kann ein besseres und genaueres Detektionsergebnis erzielt werden. Auch wird durch das Benutzen einer zusätzlichen Phasenauswertung der Grammaturbereich, in dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann, erweitert.
- Wird ein Ultraschallsignal durch einen Einzelbogen hindurch gesendet und auf der Empfängerseite wieder detektiert, so kann festgestellt werden, dass sich die Phase des empfangenen Signals vom gesendeten Signal um ungefähr 90° unterscheidet. Wird das Ultraschallsignal durch zwei Bögen hindurch gesendet, so ändert sich die Phase des empfangenen signals im Vergleich zum ausgesendeten Signal um ungefähr 180°. Es wird in dieser Erfindung also die Differenz zwischen dem ausgesendeten Ultraschallsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal in der Phase ermittelt. Die Auswertung dieser Phasendifferenz hat weiter den Vorteil, dass sie kaum von der Grammatur des durchdrungenen Bogens abhängig ist sondern maßgeblich von den Material-übergängen, d.h. vom Übergang von Luft auf Bogenmaterial und Bogenmaterial auf Luft.
- Um ein ausreichendes analoges Ausgangssignal für die Phasendifferenz zu erhalten, kann das oftmals stark verrauschte Signal, z.B. bei Einlage eines Mehrfachbogens, mittels eines Synchrongleichrichters bzw. Korrelators oder Lock-In Amplifiers ermittelt werden. Ebenso ist es möglich, ein digitales Ausgangssignal der Phasendifferenz mittels Analogmultiplizierer als Synchrongleichrichter zu erzeugen. Die Verwendung eines analogen oder eines digitalen Ausgangssignals hängt von der Wahl der weiteren Signalverarbeitung ab. Es können aber auch andere Faktoren bei der Entscheidung der Auswahl eine Rolle spielen, wie z.B. die Fehlerempfindlichkeit oder Haltbarkeit der für die jeweilige Auswertung benötigten Bauelemente.
- Um eine Entscheidung zu treffen, ob ein Fehl-, Einfach- oder Mehrfachbogen vorliegt, sollten die beiden Ausgangssignale der Phasen- und Amplitudenauswertung miteinander kombiniert werden. So ist es möglich, wenn Fehl- oder Doppelbögen auf keinen Fall übersehen werden dürfen, beide Signale mit einem logischen ODER zu verknüpfen. Dies hat zur Folge, dass bereits die Detektion eines Mehrfachbogens über die Phasenauswertung oder die Amplitudenauswertung dazu führt, dass der Sensor ein entsprechendes Signal für eine Mehrfachbogenerkennung ausgeben kann. Besonders bevorzugt ist aber hierbei, die beiden Signale mit einem logischen UND zu verknüpfen, um die Ergebnisse der einzelnen Auswertungen nochmals miteinander zu vergleichen.
- Eine weitere Möglichkeit zur Kombination der beiden Signale aus der Phasen- und Amplitudenauswertung ist ein gewichteter Vergleich dieser beiden Signale. Ein gewichteter Vergleich bietet beispielsweise den Vorteil, dass sofern in der Phasenauswertung ein Doppelbogen detektiert wurde, während in der Amplitudenauswertung das Ergebnis "Einzelbogen" sich nur sehr knapp von einem "Doppelbogen" unterscheidet, in der Kombination der beiden Signale eine Bestätigung für einen Doppelbogen zu erhalten. Bei diesen Verfahren kann ein Vorteil darin gesehen werden, dass Entscheidungen, die an der Grenze des Entscheidungsbereiches liegen, von der anderen Auswertemethode "überstimmt" bzw. verifiziert werden können, wenn dort ein eindeutiges Ergebnis vorliegt. Auf diese Weise kann im Allgemeinen ein zutreffendes Detektionsergebnis mit höherer Wahrscheinlichkeit erreicht werden.
- Im Hinblick auf eine hohe Flexibilität, nicht nur bezüglich unterschiedlichster Materialien wie Wellpappe oder Kunststoffverpackungen, sieht die Erfindung auch vor, Korrektur-Kennlinien zu berücksichtigen, die eine Kombination von verschiedenen Korrektur-Kennlinien darstellen, wobei diese kombinierten Korrektur-Kennlinien auch nur abschnittsweise über Teilbereiche des gesamten Grammaturbereiches angesetzt werden können.
- Dies eröffnet es, die Zielkennlinien mit verbesserter Approximation an die Idealkennlinie zur Erkennung von Einfachbogen zu erreichen.
- Entsprechend den Gegebenheiten der schaltungstechnischen Auslegung der Auswerteeinrichtung, der eingesetzten Sensoreinrichtung und/oder dem untersuchten Materialspektrum, kann die Korrektur-Kennlinie auch abschnittsweise als lineare oder nichtlineare Kennlinie, als einfach- oder mehrfachlogarithmische Kennlinie, als exponentielle Kennlinie, als hyperbolische Kennlinie, als Polygonzug, als Funktion beliebigen Grades oder als empirisch ermittelte oder errechnete Kennlinie oder als Kombination mehrerer dieser Kennlinien ausgelegt sein.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Zielkennlinie für unterschiedliche Materialspektren in drei Abschnitte unterteilt.
- Bei drei Bereichen kann z.B. eine Teil-Zielkennlinie für den Grammaturbereich oberhalb von 1200 g/m2 für sehr dicke Papiere und ein anderer Abschnitt unterhalb von 20 g/m2 für ein sehr dünnes Papierspektrum gebildet werden. Die Einführung von Abschnitten der Zielkennlinie ermöglicht daher eine verbesserte Zuverlässigkeit im Hinblick auf die Einfach-, Fehl- oder Mehrfachbogenerkennung.
- Im Hinblick auf eine klare Detektion von Einfachbogen, Fehlbogen oder Mehrfachbogen, insbesondere Doppelbogen, wird der Amplitudenwert anhand der Zielkennlinie mit Schwellwerten verglichen. Dies sind insbesondere ein oberer Schwellwert für Luft und ein unterer Schwellwert für Doppel- oder Mehrfachbogen.
- Ist daher das empfangene Messsignal mit dem entsprechenden Wert der Zielkennlinie größer als der obere Schwellwert, so wird dies als "Fehlbogen" ausgewertet. Ein empfangenes Messsignal kleiner als der untere Schwellwert bedeutet einen "Mehrfach- bzw. Doppelbogen". Bei einem empfangenen Messsignal mit dem entsprechenden Wert auf der Zielkennlinie zwischen den Schwellwerten, wird dies als "Einfachbogen" detektiert.
- Zur Verbesserung der Detektionsmöglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf eine genauere Einstellung auf das zu erfassende Materialspektrum, können die Schwellwerte, insbesondere für Mehrfachbogen, durchgehend oder abschnittsweise fest definiert oder dynamisch mitführbar ausgelegt werden.
- Eine dynamische Doppelbogenschwelle kann in diesem Sinn zu einer zusätzlichen Erweiterung der messbaren Grammaturen benutzt werden. Hierzu kann z.B. der Einzelbogenwert gemessen und mit dem zugehörigen Mehrfachbogenwert z.B. als Polygon-Funktion bewertet werden, wenn es sich dabei um eine einfache Funktion, wie z.B. eine abfallende Gerade oder einen konstanten Wert für den Einzelbogen handelt.
- Verfahren und Vorrichtung lassen sich insbesondere mittels mindestens einer Ultraschall-Sensoreinrichtung gut realisieren. Die Sensoreinrichtung weist hierbei vorzugsweise mindestens ein aufeinander abgestimmtes und koaxial ausgerichtetes Ultraschall-Wandlerpaar auf.
- Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung sind jedoch auch mit optischen Sensoren anwendbar.
- Bei Ultraschall-Sensoren hat es sich insbesondere gezeigt, dass sich auch flächige Objekte mit Bedruckung, Farbbedruckung oder spiegelnden Oberflächen gut detektieren lassen. Auch ist es möglich, das Sensorpaar, insbesondere bei Schranken und bei einer Montage in Gabelform, senkrecht oder geneigt zur Bogenebene anzubringen.
- Zweckmäßigerweise ist die Betriebsart der Sensoreinrichtung abhängig von den zu detektierenden Materialspektren und den Betriebsbedingungen als Impulsbetrieb oder kontinuierlicher Betrieb wählbar bzw. umschaltbar.
- Bei kontinuierlichem Betrieb ist eine geneigte Montage des Sensorpaares vorzuziehen, um mittels dieser Maßnahme Interferenzen bzw. stehende Wellen zu vermeiden. Zweckmäßigerweise wird der kontinuierliche Betrieb sozusagen als quasi-kontinuierlicher Betrieb ausgelegt, indem z.B. periodisch, im Vergleich zur Auswertzeit kurzen Zeiträumen, das Signal abgeschaltet und wieder eingeschaltet wird. Zur Vermeidung von stehenden Wellen können auch Phasensprünge im Sendesignal vorgesehen werden.
- Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, das Sendesignal mit mindestens einer Modulationsfrequenz zu modulieren. Hiermit können insbesondere bei Ultraschall-Sensoren Toleranzen der Wandler korrigiert bzw. kompensiert werden. Obwohl die Sensorelemente aufeinander abgestimmt werden, haben sie in der Regel verschiedene Resonanzfrequenzen. Wird zu einer Frequenzmodulation ein Frequenzsweep fs mit einer Frequenz, deutlich kleiner als die anregende Frequenz genutzt, so wird das Resonanzmaximum der Sensorelemente periodisch überschritten. Sofern die Ansprechzeit des Sensors deutlich kleiner ist als 1/fs, können auf diese Art und Weise die Wandlereigenschaften eines jeden individuellen Sensorelementes bzw. Sensorpaares optimal zur Ultraschall-Transmission genutzt werden.
- Der Frequenzsweep wird normalerweise bis zu einigen 10 kHz betragen.
- Die Toleranzen der Sensorelemente werden zweckmäßigerweise automatisch vor oder während des laufenden Betriebes korrigiert. Dies geschieht durch Normierung der Sensorelementpaare auf einen festen Wert bei einem vorgegebenen festen Abstand, insbesondere dem optimalen Montageabstand. Hierdurch werden schlechte Sensorelemente besser gemacht und gute Sensorelemente bzw. Wandler schlechter gemacht. Um dies auszugleichen, ist ein Korrekturfaktor notwendig. Verfahrensgemäß kann dies durch die Verwendung von einer im Mikroprozessor uP als Wertepaare abgelegten oder berechneten Geraden geschehen, da das Messsignal bereits mit z.B. einer einfach-logarithmischen Korrektur-Kennlinie bewertet ist und die Korrektur-Kennlinie eine etwa linear fallende Zielkennlinie über den Wandler- bzw. Sensorelementabstand erzeugt. D.h. das Eingangssignal am Mikroprozessor einer Auswerteeinrichtung fällt in guter Näherung linear mit dem Wandlerabstand ab. Daher fällt die Korrektur der Werte auch bei variablem Abstand einfach, da beim Einschalten einer entsprechenden Vorrichtung nur eine Geradenfunktion für den richtigen Anfangswert berechnet oder als Wertepaar abgelegt werden muss. Die korrekte Bestimmung es Sensorkopfabstands wird durch eine Laufzeitmessung vorgenommen.
- Ein besonderer Vorteil des Verfahrens mittels Ultraschall kann darin gesehen werden, dass der Abstand zwischen Sender und Empfänger in der Sensoreinrichtung für dieses Teach-in-freie Verfahren variabel gestaltbar ist. Mit anderen Worten, die Sensoreinrichtung kann an unterschiedliche Applikationen im Hinblick auf ihren Abstand relativ rasch angepasst werden, ohne dass hierdurch die Messpräzision des Verfahrens beeinträchtigt wird. Eine weitere Verbesserung des Verfahrens kann durch die Überwachung des Abstandes zwischen Sender und Empfänger und dessen Bestimmung herbeigeführt werden. Diese Bestimmung des Abstandes zwischen Sender und Empfänger kann einerseits durch Reflexion der Strahlung zwischen Sender und Empfänger realisiert werden und andererseits auch mittels Reflexion zwischen Sender und Empfänger trotz eines im Zwischenraum vorliegenden flächigen Materials, sogar eines dicken Bogens. Sollte ein Überschreiten des zulässigen maximalen Sensorabstandes festgestellt werden, so kann die Auswerteeinrichtung, z.B. ein Mikroprozessor, eine entsprechende Korrektur der ermittelten Amplitudenwerte des Messsignales abhängig vom Abstand zwischen Sender und Empfänger durchführen.
- Die Ausrichtung des Senders und Empfängers zueinander erfolgt in der Hauptstrahlungsrichtung, insbesondere koaxial, zueinander, wobei nahezu beliebige Neigungswinkel zur Bogenebene vorgesehen werden können.
- Im Hinblick auf eine optimale Detektion kann verfahrensmäßig auch eine Rückkopplung zwischen Sender und Auswerteeinrichtung, insbesondere ein Mikroprozessor, vorgesehen sein, um unter Berücksichtigung der Materialspezifikation der zu untersuchenden flächigen Objekte und weiterer Betriebsbedingungen, am Ausgang eine maximale Amplitude zu erhalten. Es ist auch eine Regelung auf die optimale Sendefrequenz möglich. Mit dieser Maßnahme können auch Alterungseffekte der Sensorelemente ausgeglichen und eine Produktprüfung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bei der Serienherstellung voll automatisiert werden.
- In vorteilhafter Weiterbildung ist zwischen der Auswerteeinrichtung und dem Sender eine Rückkopplung vorgesehen, mittels der eine Maximierung der Amplitude des empfangenen Messsignales durchführbar ist. Auch wird bevorzugt, einen Selbstabgleich zwischen Sender und Empfänger im Hinblick auf eine optimale Sendefrequenz und/oder Amplitude vorzusehen.
- Dieser Selbstabgleich kann in zur Sendefrequenz synchronisierten Zeiten, in fest definierten Pausenzeiten oder auch über einen extern an der Sensoreinrichtung vorgesehenen separaten Eingang durchgeführt werden.
- Im Hinblick auf eine optimale Prozesssteuerung für Anlagen, in denen das Verfahren und die Vorrichtung angewendet werden, eignet es sich, zur Digitalisierung des analogen Messsignales wenigstens einen A/D-Wandler oder einen Schwellwertgenerator vorzusehen, um die weitere Verarbeitung der Werte digital durchführen zu können.
- Insbesondere bei der Verarbeitung und Selektion verschiedener Signale mehrerer Signalverstärkungseinrichtungen wird die Ansteuerung und Auswahl der entsprechenden Kanäle und Signale bevorzugt über Zeitmultiplex-Einrichtungen durchgeführt.
- Die Erfindung macht sich eine Kombination zunutze, bei der neben der Auswertung der Amplitude des Messsignales und deren Bewertung mittels einer Korrektur-Kennlinie, separat die Phase des Messsignales ausgewertet wird, um unter Berücksichtigung dieser zwei Auswertungen ein Detektionssignal zur Erkennung von Einfach-, Fehl- oder Mehrfachbögen, insbesondere Doppelbögen, zu erhalten.
- Zur Phasenauswertung wird in einfacher Weise die Phasendifferenz zwischen der Phase des Sendersignales und der Phase des Empfängersignales ermittelt und ausgewertet.
- In zweckmäßiger Weise wird eine Verknüpfung der Signale der beiden Auswertungen durchgeführt. Hierfür eignet sich z.B. eine UND- oder ODER-Verknüpfung. Eine andere Möglichkeit der Verknüpfung der beiden Auswertungen kann in einem gewichteten Vergleich gesehen werden.
- Der gewichtete Vergleich bietet den Vorteil, dass z.B. bei einer Phasenauswertung mit dem tendenziellen Ergebnis "Doppelbogen", aber der Amplitudenauswertung mit eindeutiger Detektion "Einfachbogen", entschieden werden kann, dass die eindeutigere Entscheidung überwiegt und somit das gesamte Detektionsergebnis als "Einfachbogen" ausgegeben wird. Somit kann ein eindeutiges Ergebnis das andere nicht eindeutige Ergebnis überstimmen bzw. eliminieren.
- Die Phasendifferenz kann als analoges Ergebnis oder als digitales Ergebnis angezeigt werden. Ein Komparator für eine analoge Signalausgabe kann insbesondere einen Synchrongleichrichter aufweisen. Bei einer digitalen Signalausgabe des Komparators kann insbesondere eine frequenzempfindliche Phasendetektion durchgeführt werden. Je nach der weiteren Signalverarbeitung kann es vorteilhaft sein, ein analoges oder digitales Ausgangssignal zu wählen.
- Abhängig von den Materialien sowie Grammaturen und Flächengewichten können auch bei Einfachbögen unterschiedliche Phasenverschiebungen vorliegen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass in der Tendenz beim Vorliegen eines Einfachbogens von einer Phasenverschiebung von ca. 90° und bei einem Doppelbogen von etwa 180° Phasenverschiebung ausgegangen werden kann.
- Die Phasenverschiebung wird hierbei nicht primär durch die Dicke eines flächigen Objektes bestimmt, sondern stärker durch die Beschaffenheit der Grenzschichten bzw. Grenzflächen, insbesondere bei Doppelbögen oder Etiketten.
- Bei der Kombination von Amplituden- und Phasenauswertung zeigt sich der Vorteil, dass über die Detektion eines Doppelbogens hinaus, z.B. bis zu vier Bögen relativ gut detektiert werden können. Die Phasenlagenerkennung bis zu max. 360° (vier Bögen) des zumeist stark verrauschten Signals kann in besonders vorteilhafter Weise durch einen phasensynchronen Gleichrichter erfolgen (vgl. Tietze/Schenk, Springer Verlag).
- Durch die Kombination der Amplitudenauswertung nach dem kennlinienkorrigierenden Verfahren mit der Phasenauswertung, wird das bereits durch das korrekturkennlinienkorrigierende Verfahren deutlich verbesserte Verfahren zur Mehrfachbogenerkennung nochmals sicherer. Durch die Phasenauswertung erhält man neben der Information über die Anzahl der einliegenden flächigen Objekte auch noch ein zusätzliches Entscheidungskriterium zur Verbesserung der Detektion eines Mehrfacheinzugs von flächigen Objekten. Durch die Hinzunahme der Phasenauswertung kann nun eine Erweiterung des Materialspektrums zu dünnsten Materialien erfolgen z.B. unterhalb von 10 g/m2. Dies entspricht z.B. gewebtem Feinvlies oder einer Tempotaschentuchlage. Nach oben wird bei der Kombination von kennlinienkorrigierenden Verfahren und Phasenauswertung das Materialspektrum auf Grammaturen bis ca. 350 g/m2 eingeschränkt, was insbesondere für den Einsatz z.B. in Kopiergeräten ausreichend ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Darstellungen und Diagramme sowie mit Bezug auf zugrunde liegende Messprinzipien näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- das Prinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie blockschaltartig eine entsprechende Vorrichtung unter Einbeziehung von Spannungsdiagrammen nach den
Fig. 1a, 1b, 1c , welche die Struktur der Kennlinien bei der Detektion von Bögen aus Papier, Folien oder dergleichen Materialien verdeutlichen; - Fig. 2
- das Prinzip eines Verfahrens sowie blockschaltartig eine entsprechende Vorrichtung unter Einbeziehung von Spannungsdiagrammen nach den
Fig. 2a, 2b, 2c ,2d welche die Struktur der Kennlinien bei der Detektion von Etiketten, Aufreißstellen und dergleichen Materialien verdeutlichen; - Fig. 3a
- ein Kurvendiagramm, welches die schematische Abhängigkeit der Ausgangsspannung eines Verstärkers, wie in
Fig. 1 beispielhaft aufgezeigt, in Abhängigkeit von der Grammatur bzw. dem Flächengewicht von zu detektierenden Materialien zeigt, wobei idealisierte Zielkennlinien miteinbezogen sind; - Fig. 3b
- ein schematisches Diagramm analog zu
Fig. 3a mit der Ausgangsspannung eines Verstärkers in Abhängigkeit von der Grammatur bzw. dem Flächengewicht der zu untersuchenden Materialien, wobei mehrere Zielkennlinien zusammen mit entsprechenden Schwellwerten, z.B.Luftschwelle, Doppelbogenschwelle, dargestellt sind; - Fig. 4a
- eine schematische Darstellung, wie bei bekannter Messwert-Kennlinie und idealer Zielkennlinie für Einfach- bzw. Doppelbogenerkennung im kartesischen Koordinatensystem die Korrektur-Kennlinie ermittelt werden kann;
- Fig. 4b
- eine schematische Darstellung, bezogen auf die Etikettenerkennung mit idealer Zielkennlinie, bekannter Messwert-Kennlinie und einer zur Transformation erforderlichen Korrektur-Kennlinie;
- Fig. 4c
- eine schematische Darstellung der Kennlinien bei Doppelbogenerkennung, sofern keine ideale Zielkennlinie vorliegt;
- Fig. 4d
- eine Darstellung von Kennlinien zur Doppelbogenerkennung mit Spiegelung an einer gedachten Achse unter Einbeziehung der Transformation nach
Fig. 4f ; - Fig. 4e
- eine schematische Darstellung von Kennlinien für die Etikettenerkennung mit Spiegelung an der gedachten Achse unter Berücksichtigung
Fig. 4f ; - Fig. 4f
- schematisch eine Transformation des kartesischen Koordinatensystems um einen Winkel α mit Darstellung einer Bezugsachse des neuen Koordinatensystems;
- Fig. 4g
- eine schematische Darstellungen von idealer Zielkennlinie und realen Zielkennlinien bei der Doppelbogenerkennung;
- Fig. 4h
- eine schematische Darstellung einer idealen Zielkennlinie und einer realistischen Zielkennlinie für die Etikettenerkennung;
- Fig. 4i
- schematische Darstellungen einer Messwert-Kennlinie und Korrektur-Kennlinie bei der Einfach- bzw. Doppelbogenerkennung, wobei die Korrektur-Kennlinie eine aus einer e-Funktion und einer Umkehrfunktion abgeleitete Kennlinie darstellt, mit daraus ermittelten Zielkennlinien;
- Fig. 4j
- schematische Darstellung einer aus einer gewichteten Hyperbel abgeleiteten Messwert-Kennlinie sowie eine aus einer logarithmischen Funktion abgeleiteten Korrektur-Kennlinie mit daraus ermittelter Zielkennlinie für die Einfach- bzw. Doppelbogenerkennung;
- Fig. 5a
- eine schematische Prinzipdarstellung der bei der Detektion eines Doppelbogens von Material mittels Ultraschallwellen beispielhaft vorliegenden Messkriterien;
- Fig. 5b
- in vergleichbarer Weise wie in
Fig. 5a die schematische Darstellung einer Klebestelle zwischen einem Material-Doppelbogen und die sich hierbei erhebenden Messkriterien bei Erfassung mittels Ultraschall; - Fig. 5c
- die schematische Darstellung von auf einem Grundoder Trägermaterial haftend aufgebrachte Materialien, teils als einfach geschichtete und teils als mehrfach geschichtete Materialien, wobei dieser Aufbau die Struktur einer Etikette zeigt;
- Fig. 6
- in blockschaltartiger Darstellung das Verfahren und eine Vorrichtung am Beispiel einer Kombination von verschiedenen Korrektur-Kennlinien;
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung ähnlich
Fig. 6 , wobei das Prinzip für das Einstellen einer Korrektur-Kennlinie und das Berechnen einer Korrektur-Kennlinie mit Rückwirkung auf die Schaltungsblöcke dargestellt ist; - Fig. 8
- eine schematische Darstellung für die empirische Bestimmung einer Messwert-Kennlinie über einen großen Grammatur- bzw. Flächengewichtsbereich;
- Fig. 9
- eine schematische blockschaltartige Darstellung eines Verfahrens bzw. der entsprechenden Vorrichtung mit der Kombination z.B. der Mehrfachbogenerkennung mit der Erkennung von auf Trägermaterial haftend aufgebrachten Materialschichten bzw. Etiketten;
- Fig. 10
- schematisch ein Diagramm der normierten Ausgangsspannung UA über den Grammaturbereich mit konstanter bzw. dynamischen Doppelbogenschwellen,
- Fig. 11
- eine Zielkennlinie mit eingezeichnetem oberen und unteren Flatterbereich,
- Fig. 12
- mit den Darstellungen zu
Fig. 12a und 12b die Anordnung eines Sensors mit optimaler Ausrichtung bei einer einwelligen Wellpappe,Fig. 12a , und entsprechendFig. 12b , die analoge Ausrichtung eines Sensors bei zweiwelliger Wellpappe, und - Fig. 13
- in blockschaltartiger Darstellung eine Vorrichtung mit Auswertung der Amplitude und Phase für die Detektion von flächigen Objekten.
- Die in den
Fig. 2-5 und9-12 gezeigten Inhalte gehören nicht zur Erfindung. - Die Darstellung nach
Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung mit blockschaltartigem Aufbau und den an bestimmten Punkten erzielbaren Spannungsverläufen im Sinne von Kennlinien über einen Grammatur- bzw. Flächengewichtsbereich g/m2 eines zu detektierenden Materialspektrums. - Die weitere Erörterung erfolgt auf der Basis einer Ultraschall-Sensoreinrichtung, wobei prinzipiell jedoch auch andere Sensoreinrichtungen optischer, kapazitiver oder induktiver Art eingesetzt werden können.
- Eine entsprechende Sensoreinrichtung 10 weist hierbei einerseits einen Sender T und einen dazu ausgerichteten, gegenüberliegenden Empfänger R auf, zwischen denen die zu detektierenden flächigen Objekte, im Beispiel in Bogenform berührungslos hindurchbewegt werden.
- In
Fig. 1 ist beispielhaft ein Mehrfachbogen als Doppelbogen 2 dargestellt. - Da für dieses prinzipielle Beispiel die Amplitudenauswertung des Messsignales UM zur Detektion eines Einzelbogens, eines Fehlbogens, d.h. keines Bogens, oder eines Doppel- bzw. Mehrfachbogens, vorausgesetzt wird, ist ein möglicher Spannungsverlauf UM in Abhängigkeit von der Grammatur bzw. dem Flächengewicht g/m2 für die Messkennlinie MK in
Fig. 1a gezeigt. - Im Hinblick auf eine eindeutige sichere Entscheidung, ob ein Einfachbogen, ein Doppelbogen oder ein Fehlbogen vorliegt, ist es Ziel der Erfindung, unter Berücksichtigung von Schwellwerten, wie z.B. für die Luftschwelle oder als Doppelbogenschwelle, eindeutige Schnittpunkte mit diesen Schwellwerten bzw. möglichst große Spannungsabstände zu diesen Schwellwerten zu erhalten.
- Die der Erfindung zugrunde liegende Kenntnis geht davon aus, dass bei gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen im Stand der Technik, bei der Mehrfachbogen-Erkennung und einer angenommenen, nachfolgenden näherungsweise linearen Verstärkung, gegebenenfalls mit weiterer Filterung und Auswertung, in Abhängigkeit von der Grammatur bzw. dem Flächengewicht, eine Kennlinie für das verstärkte Messsignal erhalten wird, die im Wesentlichen stark nichtlinear, insbesondere exponentiell, mehrfach exponentiell bzw. hyperbelförmig oder ähnlich verläuft, wobei über einen großen gewünschten Einsatzbereich des Materialspektrums eine unsichere und Fehler behaftete Detektion häufig vorliegt, dies mit einem einfachen Prinzip abzuändern.
- Das erfindungsgemäße Prinzip lautet deswegen, eine Korrektur-Kennlinie zu berücksichtigen und diese z.B. der dem Empfänger nachfolgenden Auswerteschaltung einzuprägen, wozu insbesondere die nachfolgende Verstärkereinrichtung geeignet ist, um über den gewünschten Grammaturbereich eine gut auswertbare ZielKennlinie für eine sichere Detektion mit der Entscheidung zu erreichen, ob ein Einfachbogen, kein Bogen oder ein Mehrfachinsbesondere Doppelbogen, vorliegt.
- Eine derartige Korrektur-Kennlinie KK ist in
Fig. 1b schematisch dargestellt. Diese Korrektur-Kennlinie, die inFig. 1b die Abhängigkeit zwischen der Ausgangsspannung UA von der Eingangs-spannung UE nur prinzipiell zeigt, verdeutlicht im Vergleich mit der Mess-Kennlinie MK nachFig. 1a , die ebenfalls nur schematisch den Verlauf des Messsignales UM zeigt, dass relativ hohe Spannungswerte UM über den Grammaturbereich gesehen, keine oder nur eine geringe Verstärkung erfahren, während kleinere Spannungswerte, z.B. bei relativ großen Flächengewichten (g/m2) eine wesentlich höhere, gegebenenfalls exponentielle Verstärkung erfahren. - Die daraus resultierende Zielkennlinie ZK mit der Spannung UZ in Abhängigkeit von der Grammatur (g/m2) ist in
Fig. 1c ebenfalls nur schematisch dargestellt. Die gewünschte ZK kann ebenfalls aus einer punktweisen Abbildung (implizite KK) des Messsignals UM zum gewünschten Ausgangssignal UZ transformiert werden und somit die gewünschte Zielkennlinie ZK erreicht werden. Dazu wird ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung notwendig, der dann die Korrekturkennlinie aus einem uP erhält. - Die Abbildung des Messsignals UM zum gewünschten Ausgangssignal UZ anhand der KK kann ebenfalls statt wertdiskret, also punktweise, auch wertkontinuierlich erfolgen.
- Diese in
Fig. 1c gezeigte Zielkennlinie weist den mit durchgezogener Linie dargestellten Verlauf auf, der drei Bereiche hat. Einen ersten und einen dritten relativ steil abfallenden Bereich sowie einen mittleren, nur relativ geringfügig zur Abszisse geneigten Bereich, der einen großen Grammaturbereich umfasst. - Da der erste und der dritte Bereich im Hinblick auf eine sichere Detektionsanzeige bzw. eindeutiges Schaltverhalten der Vorrichtung einen optimaleren Verlauf zeigen könnte, ist mit unterbrochenem Linienzug eine durch die Endpunkte der ersten Zielkennlinie ZK1 gehende, linear abfallende Zielkennlinie ZK2 als verbesserte Zielkennlinie dargestellt. Diese fällt jedoch nicht unter die Erfindung.
- Im Hinblick auf die in
Fig. 1 vom Prinzip her und blockschaltmäßig dargestellte Vorrichtung 1 zur Detektion von Einfachbogen, Fehlbogen oder Mehrbogen, ist das am Empfänger R erhaltene Messsignal UM einer Auswerteeinrichtung 4 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 4 ist vereinfachend mit der Verstärkereinrichtung 5 und nachgeschaltet einem Mikroprozessor 6 dargestellt. - Der Verstärkereinrichtung 5 wird im Beispiel die Korrektur-Kennlinie KK vorgegeben bzw. eingeprägt, so dass am Ausgang die Zielkennlinie ZK1 bzw. ZK2 zur weiteren Auswertung im Mikroprozessor 6 erhalten wird. Der Mikroprozessor 6 kann dann unter Berücksichtigung gespeicherter oder dynamisch errechneter Daten, wie Schwellwerte, ein entsprechendes Detektionssignal im Hinblick auf Einfachbogen, Fehlbogen oder Mehrfachbogen, insbesondere Doppelbogen erzeugen.
- In
Fig. 2 und den zugeordnetenFig. 2a, 2b, 2c ,2d ist schematisch das Verfahren und eine Vorrichtung dargestellt zur Detektion von Etiketten und gleichartigen Materialien, ohne dass ein Teach-in-Schritt durchgeführt werden müsste. - Die Bezugszeichen entsprechen hierbei den Bezugszeichen aus
Fig. 1 . - Der blockschaltartige Aufbau zeigt einen Sender T, z.B. für die Abstrahlung von Ultraschallwellen, und einen zugeordneten Empfänger R als Sensoreinrichtung 10. Zwischen Sender T und Empfänger R werden Etiketten 7 hindurchgeführt. Ziel der Vorrichtung ist es daher einerseits zu erkennen, ob Etiketten oder keine Etiketten vorliegen. Andererseits ist es auch möglich die Anzahl der durch die Sensoreinrichtung geführten Etiketten festzustellen.
- Das bei Vorhandensein eines Etiketts im Empfänger R erhaltene Messsignal UM bzw. UE kann z.B. den schematisch angedeuteten Kennlinien-Verlauf über die Grammatur mit etwa linear, nichtlinear, exponentiell oder dergleichen ähnlich abfallenden Verlauf haben.
- Die nachfolgende Auswerteeinrichtung, die z.B. eine Verstärkereinrichtung 5 und nachgeschaltet einen Mikroprozessor 6 aufweisen kann, erhält im Verstärker 5 eine Korrektur-Kennlinie, welche z.B. linear ansteigend (I.) oder exponentiell ansteigend (II.) wie in
Fig. 2b gezeigt, ausgelegt sein kann. Am Ausgang des Verstärkers 5 wird unter Berücksichtigung der Korrektur-Kennlinie z.B. nachFig. 2b eine Zielkennlinie über den Grammaturbereich erreicht, wie sie inFig. 2c durch denn Kurvenverlauf I. oder II. dargestellt ist. - Ein idealer Verlauf der Zielkennlinie zur Etikettenerkennung ist in dem Diagramm nach
Fig. 2 vom Prinzip her gezeigt. - Diese Zielkennlinie ZKI hat den Verlauf einer negativ fallenden Geraden, von kleineren Grammaturen zu größeren Grammaturen, wobei optimalerweise eine konstante Steigung und eine maximale Spannungsdifferenz für die Ausgangsspannung UZ bei kleinen Grammaturunterschieden über den gesamten zur Detektion von Etiketten vorgesehenen Grammatur- bzw. Flächengewichtsbereich erreicht werden sollte.
- Wie nachfolgend noch erläutert, kann die Korrektur-Kennlinie KK auch eine Kombination einzelner unterschiedlicher Kennlinien sein. Auch andere Korrektur-Kennlinien wie logarithmisch oder mehrfachlogarithmisch können abhängig vom Kennlinien-Verlauf des Messsignales UM und der Verstärkungs-Kennlinie eingesetzt werden. Hierbei ist es das Ziel, nach Möglichkeit eine ideale Kennlinie ZKI, wie in
Fig. 2 dargestellt, zu erreichen. - Die Kurvenverläufe nach den
Fig. 2a, 2b, 2c zeigen zwei Beispiele unterschiedlicher Kennlinien. Einerseits für das Messsignal UM nachFig. 2a mit dem Kennlinien-Verlauf MK einer ersten Kennlinie I und einer Kennlinie II mit unterbrochenem Linienzug. - Diese unterschiedlichen Kennlinien für das Messsignal MK I und MK II werden dann über beispielhaft dargestellte schematische Korrektur-Kennlinien KK in
Fig. 2b derart transformiert, dass am Ausgang der Auswertung ein Kennlinien-Verlauf für die Zielkennlinie ZK entsprechend derFig. 2c erreicht werden kann. - Zur weiteren Verdeutlichung ist in
Fig. 2d in schematischer Darstellung die Ausgangsspannung UA einer Verstärkereinrichtung über den Grammaturbereich mit einem exemplarischen Verlauf einer Messwert-Kennlinie MKE für ein Etikett und der Zielkennlinie ZKE dargestellt, wie dies unter Berücksichtigung einer dem Verstärker eingeprägten Korrektur-Kennlinie KK erreichbar ist. Die Darstellung gilt exemplarisch für die Erkennung von Etiketten bzw. von Klebestellen. Zur Erreichung der gewünschten Zielkennlinie ZKE wird die Messwert-Kennlinie MKE mittels einer geeigneten Korrektur-Kennlinie KK transformiert. Hierbei wird sozusagen jeder Punkt der Messwert-Kennlinie MKE kontinuierlich oder wertdiskret bei digitalen Systemen, in einen entsprechenden Wert auf der Zielkennlinie ZKE transformiert. Dies ist zur Verdeutlichung anhand der Pfeile dargestellt. - Im Eingangsbereich bei sehr dünnen Materialien, z.B. bei einer Grammatur zwischen 1 bis 8 g/m2 kann die Verstärkerspannung sehr leicht im Sättigungsbereich liegen. Andererseits kann durch die Verwendung von Folien bei Etiketten auch rasch der Grenzbereich des Verstärkers zum Rauschen erreicht werden, da Folien sehr stark bedämpfen.
- Im Diagramm ist dies etwa im Bereich der Grammatur von 100 bis 300 g/m2 erkennbar.
- Speziell bei derartigen Messwert-Kennlinien MKE lässt sich das Verfahren der Kennlinienkorrektur besonders vorteilhaft einsetzen, so dass eine Sättigung des Messsignales bei sehr dünnen und stark dämpfenden Materialien vermieden wird, wodurch letztlich eine einwandfreie Detektion des Vorliegens bzw. Nichtvorliegens von Etiketten gewährleistet wird.
- Exemplarisch ist zum Vergleich mit der Etikettendetektion in der
Fig. 2d noch ein möglicher Verlauf der Messwert-Kennlinie MKDB für einen Einzelbogen zur Doppelbogendetektion von vorzugsweise Papiermaterialien dargestellt, welche sich im oberen Grammaturbereich etwa asymptotisch der Doppelbogenschwelle DBS nähert. - Das Diagramm gemäß
Fig. 3a zeigt als schematische Darstellung die prinzipielle Abhängigkeit eines normierten Ausgangsspannungssignals UA/p.u. eines Signalverstärkers in Abhängigkeit vom Flächengewicht bzw. der Grammatur (g/m2) bei unterschiedlich ausgelegten Signalverstärkern für Einfach- und Mehrfachbogen, speziell Doppelbogen. - Die Linie I in
Fig. 3a symbolisiert einen weitgehend idealisierten Verlauf in der Ausgangsspannung von Einfachbögen in Abhängigkeit von der Grammatur bei Verwendung eines näherungsweise linearen Signalverstärkers 5, wobei ein näherungsweiser exponentieller Abfall der Spannungslinie vorliegt. Diese Spannungskennlinie I berücksichtigt noch keine Korrektur-Kennlinie KK. - Aus dieser etwa exponentiell abfallenden Spannungskennlinie I wird durch Verwendung der dem entsprechenden Signalverstärker inhärenten bzw. eingeprägten nichtlinearen, insbesondere logarithmischen und/oder doppellogarithmischen Korrektur-Kennlinie KK, eine angestrebte Zielkennlinie II für Einfachbögen über einen sehr großen Grammaturbereich, d.h. verschiedenster Materialien.
- Die Zielkennlinie II symbolisiert somit eine Kennlinie für das Ausgangssignal bei Einzelbögen bei Verwendung eines logarithmischen Signalverstärkers, wobei die Zielkennlinie II einen näherungsweise linearen Abfall aufweist.
- Als Schaltschwellen sind im Diagramm nach
Fig. 3a einerseits die Luftschwelle und andererseits die Doppelbogenschwelle beispielhaft eingetragen. Die Schnittpunkte der Zielkennlinie II nachFig. 3a mit der Luftschwelle bzw. der Doppelbogenschwelle zeigen eine ausreichend große Steilheit, um einen definierten relativ kleinen Materialbereich herum. - Der in der Nähe der Doppelbogenschwelle weitgehend asymptotische Verlauf der Kurve I wird durch die vorgesehene Transformation einer Kurve I mit einer Korrektur-Kennlinie KK zur Zielkennlinie II, wodurch ein größerer Abstand des Spannungswertes für Einzelbögen gegenüber der Doppelbogenschwelle für schwerere Grammaturen bzw. Flächengewichte erreicht wird.
- Dieses Beispiel verdeutlicht, dass die Detektion als "Fehlbogen" bzw. Luft" oder als "Mehrfach- oder Doppelbogen" über einen großen Grammatur- und Flächengewichtsbereich ohne einen Teach-in-Vorgang sehr gut erreichbar ist.
- Eine Signaltransformation von dem Messsignal UM auf ein konstantes Ausgangssignal UA des Einfachbogens über den gesamten Grammaturbereich bei im Idealfall mittigem Spannungswert zwischen den beiden Schwellwerten, nämlich oberem Schwellwert für Fehlbogen bzw. Luft und unterem Schwellwert für Mehrfachbogen bzw. Doppelbogen, wäre das erreichenswerte Ideal, d.h. entspräche der idealen Zielkennlinie ZK für den Einfachbogen. Diese ideale Zielkennlinie ist in
Fig. 3b mit I markiert. - Weiterhin ist in
Fig. 3a eine Kurve Ia gezeigt, die ein Mehrfachbogensignal, insbesondere ein Doppelbogensignal bei Verwendung eines näherungsweise linearen Signalverstärkers zeigt, wobei die Kurve Ia einen näherungsweise doppelt-exponentiellen Abfall der Mehrfachbogen-Kennlinie aufweist. - Die weiterhin beispielhaft dargestellte Kurve IIa symbolisiert ein Mehrfachbogensignal, insbesondere ein Doppelbogensignal, mit logarithmischer Korrektur-Kennlinie, wodurch näherungsweise ein einfach exponentiellen Abfall der Mehrfachbogen-Kennlinie IIa erreicht wird.
-
Fig. 3b zeigt mehrere Zielkennlinien von Einzelbogen mit der Darstellung der normierten Ausgangsspannung UA/p.u. des Signalverstärkers in Abhängigkeit von der Grammatur bzw. dem Flächengewicht (g/m2) bei Verwendung unterschiedlicher Signalverstärker. - Es sind verschiedene Grenz- und Schwellenwerte eingezeichnet. So kennzeichnet die oberste horizontale Linie mit unterbrochenem Linienzug beispielhaft die Sättigungsgrenze bzw. maximale Versorgungsspannung für einen eingesetzten Signalverstärker.
- Weiterhin ist exemplarisch bei etwa 0,7 UA/p.u. der Schwellwert für Luft bzw. einem Fehlbogen dargestellt. Bei einem Wert von UA mit etwa 0,125 ist die Doppelbogenschwelle und darunter liegend die Schwelle für das Rauschen von elektrischen Signalverstärkern beispielhaft eingezeichnet.
- Die horizontale Linie I in
Fig. 3b kennzeichnet eine ideale Zielkennlinie für Einfachbögen. Diese ideale Zielkennlinie zeigt keine Sättigung für dünne Materialien und hat einen hohen Abstand zur Schwelle des Rauschens bzw. zur Doppelbogenschwelle. Diese ideale Zielkennlinie bedeutet, dass die Ausgangsspannung UA der Signalverstärkung bei Eingabe verschiedenster Grammaturen bzw. Flächengewichte in idealer Weise ein konstantes Signal ergeben würde. - Da hohe Störabstände bei dieser idealen Zielkennlinie für Einfachbogen gegenüber den eingezeichneten Schwellwerten vorliegen, kann von einem sicheren Schalten und einer sicheren Detektion von Einfachbogen, Fehlbogen oder Doppelbogen ausgegangen werden.
- Mit der Kurve II ist eine nichtlineare Zielkennlinie mit zwei Zweigen IIa und IIb dargestellt, die aufgrund des Wendepunkts relativ schwierig zu realisieren ist, aber als eine der idealen Zielkennlinie I für Einzelbogen angenäherte Kennlinie betrachtet werden kann.
- Die relativ flach verlaufenden Teilbereiche von IIa und IIb könnten realisiert werden, wobei der Bereich IIa für leichtere Grammaturen zweckmäßigerweise über eine nahezu lineare Signalverstärkung realisiert werden kann. Der Bereich IIb für schwerere Grammaturen kann z.B. mittels einer doppelt-logarithmischen Signalverstärkung realisiert werden, wobei der stark nach unten abfallende Knick aufgrund der Bedämpfungseigenschaften von Papieren mit sehr hoher Grammatur sich bei der technischen Realisierung als zu aufwändig erweist.
- Die Kurve III stellt eine Zielkennlinie dar, die die Endpunkte der Kurve II auf einfachste Art und Weise mittels einer 2-Punkt-Geraden Verbindung einem Idealverlauf wie in der Kurve I dargestellt annähert. Z.B. kann dies durch die Verwendung eines mindest einfach-logarithmischen Signalverstärkers bewirkt werden und zeigt die Linearisierung der Messwerte für Einfachbogen über einen großen Grammaturbereich unter Berücksichtigung einer entsprechenden Korrektur-Kennlinie.
- Die Kurve III weist eindeutige Durchgänge für die Schwellwerte für Luft bzw. für einen Doppelbogen auf, so dass eindeutige Schaltpunkte und Detektionskriterien in Bezug auf diese Schwellwerte vorliegen.
- Zielkennlinien gemäß den Kurven I, II und III erlauben daher eindeutige Detektionen über ein gegenüber dem Stand der Technik verbreiterten Materialspektrum.
- Die weiterhin dargestellte Kurve IV zeigt eine ungeeignete Zielkennlinie für Einzelbogen. Einerseits liegt sowohl im oberen Bereich ein asymptotischer Verlauf der Kurve IV zur Sättigungsgrenze und andererseits im unteren Bereich zum Schwellwert des Rauschens vor. Ein derartiger asymptotischer Verlauf sollte auch gegenüber den Schaltschwellen zu Luft bzw. zum Doppelbogen vermieden werden, da aufgrund geringer Signalunterschiede zu diesen Schwellen eine klare Unterscheidung der Zustände, Fehlbogen oder Doppelbogen, dann problematisch wäre.
- Der steile Abfall der Kurve IV im mittleren Bereich erfasst in diesem Beispiel nur einen kleinen Grammaturbereich mit klarer Unterscheidung zu Fehlbogen oder Doppelbogen. Da die Zielkennlinie über ein sehr großes Materialspektrum eine eindeutige Detektion für Einfachbogen, Fehlbogen oder Doppelbogen zulassen soll, sollte ein Verlauf gemäß Kurve IV, vermieden werden.
- Die in den
Fig. 1 ,2 ,3a und 3b aufgezeigten Grundsätze zeigen daher, bei der Auswertung des empfangenen Messsignales eine Signalverstärkung einzusetzen, der eine Korrektur-Kennlinie vorgegeben wird, die die Kennlinie der Ausgangsspannung UA/p.u. in Abhängigkeit von der Grammatur der flächigen Objekte über einen großen Grammaturbereich invers oder nahezu invers oder der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherten Zielkennlinie in geeigneter Weise nachbildet. In dieser Weise wird eine lineare bzw. nahezu lineare Abhängigkeit zwischen dem von dem Empfänger empfangenen Messsignal UE und der Signalspannung UA am Ausgang des Signalsverstärkers erreicht. -
Fig. 4a zeigt schematisch im kartesischen Koordinatensystem mit dem Materialspektrum g/m2 auf der Abszisse und der prozentualen Signalausgangsspannung UA auf der Ordinate einen beispielhaften Verlauf einer Messwert-Kennlinie MKDB für die Erkennung von Einfach- bzw. Doppelbogen. - Die ideale Zielkennlinie ZKi für die Erkennung von Einfach-, Fehl- oder Doppelbogen ist eine Konstante mit Steigung 0 (HDB=0). Die erforderliche Korrektur-Kennlinie KKDB ist für dieses Beispiel ebenfalls dargestellt. Hieraus wird erkennbar, dass zunächst eine Transformation der Punkte der Messwert-Kennlinie MK in Richtung der Pfeile P nach unten und anschließend für größer werdende Grammaturen eine Transformation nach oben erfolgt, um die ideale Zielkennlinie ZKi für die Einfachbogenerkennung zu erreichen.
- Das Beispiel nach
Fig.4b zeigt entsprechende Verläufe der Kennlinien für Etiketten. - Die Messwertkennlinie MKE ist mit durchgezogenem Linienzug exemplarisch dargestellt.
- Die ideale Zielkennlinie ZKE stellt eine Gerade mit negativer Steigung bzw. hohem Hub dar.
- Die für die Transformation erforderliche Korrektur-Kennlinie KKE ist mit unterbrochenem Linienzug gezeigt und weist in diesem Fall eine Unstetigkeitsstelle im Schnittpunkt zwischen Messwert-Kennlinie MKE und Zielkennlinie ZKE auf.
- Die
Fig. 4c zeigt schematisch den Verlauf der Kennlinien für die Einfach- bzw. Doppelbogenerkennung für einen Fall, in dem nicht die ideale Zielkennlinie, sondern eine reale Zielkennlinie ZKDBr erreicht wird. Die reale Zielkennlinie ZKDBr hat daher daher einen Hub HDBr, der größer als 0 ist. Die eingezeichnete Messwert-Kennlinie MKDB könnte in diesem Fall durch das Einprägen, z.B. der Korrektur-Kennlinie KKDB, als oberer, durchgezogener Linienzug, in die Zielkennlinie ZKDBr transformiert werden. Diese Transformation ist mittels der Pfeile P angedeutet. - Das Diagramm nach
Fig. 4d zeigt schematisch die Transformation einer Messwert-Kennlinie MKDB für die Einfach- bzw. Doppelbogenerkennung zur gewünschten Zielkennlinie ZKDB. - Die Abszisse kennzeichnet das Materialspektrum g/m2, wobei der realistische Messbereich MDBr angedeutet ist.
- Auf der Ordinate ist die Signalausgangsspannung UA des Messwertes prozentual angedeutet. Diese entspricht etwa dem Dämpfungsmaß dB.
- Weiterhin sind die virtuellen Endpunkte E1 und E2 als gedachte Schnittpunkte der Messwert-Kennlinie MKDB mit der Zielkennlinie ZKDB gezeigt.
- Bei bekannter Messwert-Kennlinie MKDB bei der Doppelbogenerkennung ist daher zur Erreichung einer, linearen Zielkennlinie ZKDB eine Korrektur-Kennlinie KKDB erforderlich, wie sie mit unterbrochenem Linienzug zwischen den Endpunkten E1 und E2 gezeigt ist. Gedanklich erfolgt daher die Transformation der Messwert-Kennlinie MKDB in Richtung der Pfeile zur realen Zielkennlinie ZKDB. Dies wird sozusagen durch eine Spiegelung der Messwert-Kennlinie MKDB an der Achse ZKDB nach Koordinatentransformation erreicht.
- Diese Koordinatentransformation aus dem kartesischen Koordinatensystem in ein neues Koordinatensystem x', y' ist vereinfacht in
Fig.4f dargestellt. - Die weitere Darstellung nach
Fig. 4e zeigt schematisch die Transformation der Messwert-Kennlinie MKE bei Etiketten in die gewünschte, ideale Zielkennlinie ZKE mittels der erforderlichen Korrektur-Kennlinie KKE. - Bei bekannter Messwert-Kennlinie MKE kann die Korrektur-Kennlinie KKE mittels Spiegelung von MKE an der Achse der Zielkennlinie ZKE nach erfolgter Koordinatentransformation (siehe
Fig. 4f ) erreicht werden. Die inFig. 4f dargestellte Koordinatentransformation zeigt vereinfachend die Verschiebung für ein geradliniges Koordinatensystem x, y um einen Winkel α. X, y sind hierbei z.B. die Achsen des kartesischen geradlinigen Koordinatensystem. - Durch die Koordinatentransformation wird das neue Koordinatenbezugssystem durch die gedachte Bezugsachse der Zielkennlinien ZKDB oder ZKE vorgegeben.
-
- Im Hinblick auf die erforderliche Korrektur-Kennlinie KK gilt, dass sich diese erst nach der Koordinatentransformation in Bezug auf die Neuausrichtung durch die gewünschte Zielkennlinie ZKDB oder ZKE, durch Spiegelung an der entsprechenden Zielkennlinie ZKDB oder ZKE ergibt.
- In den
Fig. 4g und 4h wird schematisch der grundsätzliche Unterschied zwischen idealer und realer Zielkennlinie für den Einfach- bzw. Doppelbogen (Fig. 4g ) und die Etikettenerkennung (Fig. 4h ) dargestellt. - Die
Fig. 4g für den Einfachbogen zeigt die ideale Zielkennlinie ZKi, die im Idealfall geradlinig, ohne Steigung verläuft, also konstant ist. Hierbei wäre der Hub Hi = 0 über den gesamten idealen Bereich über des Materialspektrums Mi. - Bei der Einfachbogenerkennung würde man daher mit einer derartigen idealen Zielkennlinie ZKi einen maximalen Abstand zur oberen Luftschwelle ebenso wie einen maximalen Abstand zur darunter angezeigten Doppelbogen-Schwelle erreichen.
- Der Pfeil im Diagramm kennzeichnet den Übergang von der idealen Zielkennlinie ZKi zu realen Zielkennlinien, z.B. ZK1 bzw. ZK2.
- Es wird hierbei erkennbar, dass je flacher die reale Zielkennlinie verläuft, desto breiter ist das detektierbare Materialspektrum M1 bzw. M2.
- Die
Fig. 4h zeigt ein vergleichbares Diagramm zu Zielkennlinien ZK für die Etikettenerkennung. - Die ideale Zielkennlinie ZKi für die Etikettenerkennung hat hierbei einen maximalen Hub Hi über einen relativ großen Bereich des Materialspektrums, der als ideales Materialspektrum Mi gekennzeichnet ist.
- Reale Zielkennlinien ZK1 bei der Etikettenerkennung weichen jedoch von der idealen Zielkennlinie ZKi in Richtung des Pfeiles ab. Dementsprechend hat die realere Zielkennlinie ZK1 einen geringeren Hub H1 und auch ein kleineres Materialspektrum M1.
- Je steiler daher die reale Zielkennlinie ist und sich der idealen Zielkennlinie ZKi nähert, desto mehr Hub steht für ein vorgegebenes Materialspektrum zur Verfügung.
- In den
Fig. 4i und 4j sind exemplarisch Messwert-Kennlinien und Korrektur-Kennlinien und daraus abgeleitete Zielkennlinien dargestellt. -
- Die Korrektur-Kennlinie ist hierbei eine aus einer e-Funktion und einer Invers- bzw. Umkehrfunktion x=ln(1/y) abgeleitet. Die dargestellten Zielkennlinien ZK1 und ZK2 können daher aus der Messwert-Kennlinie MK und der Korrektur-Kennlinie KK im Wesentlichen durch die Differenz hergeleitet werden.
- Das Beispiel nach
Fig. 4j zeigt ebenfalls schematisch Kennlinien zur Einfach- bzw. Doppelbogenerkennung. - Die Messwert-Kennlinie MK ist in diesem Beispiel näherungsweise aus einer gewichteten Hyperbel abgeleitet. Die Korrektur-Kennlinie KK ist eine aus einer logarithmischen Funktion abgeleitete Korrektur-Kennlinie. Die Messwert-Kennlinie MK kann in diesem Beispiel unter Berücksichtung der Korrektur-Kennlinie KK zu einer Zielkennlinie ZK transformiert werden, die näherungsweise einer idealen Zielkennlinie für die Einfach- bzw. aDoppelbogenerkennung entspricht.
- Anhand der
Fig. 5a, 5b und 5c werden nachfolgend einige grundlegende Prinzipien des Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung am Beispiel einer mit Ultraschall arbeitenden Sensoreinrichtung und den zur klaren Detektion wesentlichen physikalischen Unterschieden anhand eines Doppelbogens, eines Doppelbogens mit Klebestelle und am Beispiel von Etiketten kurz dargelegt. - Diese grundsätzlichen Überlegungen gelten wengistens teilweise auch für andere Sensoreinrichtungen, z.B. optischer,induktiver kapazitiver Art.
- In
Fig. 5a ist schematisch die Überlappung zweier Einzelbogen dargestellt, so dass in dem Überlappungsbereich von einem Doppelbogen 11 gesprochen werden kann. Dieser Doppelbogen 11 soll aus zwei Papierbögen bestehen, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Einfachbögen ein von deren Material verschiedenes Medium ist. Da eine berührungslose Detektion vorgesehen ist, kann davon ausgegangen werden, dass zu beiden Seiten des Doppelbogens Luft mit dem Parameter Z0 vorhanden ist und auch das Zwischenmedium im Überlappungsbereich der Einfachbögen Luft mit Z0 ist, welche als Luftpolster durch die Oberflächenrauigkeit der Materialien bei diesem Doppelbogen vorhanden ist. - Die Wirkungsrichtung des Messverfahrens, z.B. mittels Ultraschall, ist im Beispiel senkrecht zum Doppelbogenbereich, so dass ein transmittiertes Ultraschallsignal bei einem derartigen "echten Doppelbogen" durch die Mehrfachbrechung über mindestens drei Grenzflächen sehr klein wird, d.h. der Transmissionsfaktor über drei Schichten in idealer Weise gegen null geht.
- In allgemeinerer Betrachtung kann daher ein Doppelbogen bzw. Mehrfachbogen als eine Materialstruktur angesehen werden, die eine Bogenschichtung oder eine Schachtelschichtung aufweist und in einem der Zwischenräume zwischen der Bogenschichtung mindestens ein von den verschiedenen Bogenmaterialien verschiedenes Medium, insbesondere Luft, vorhanden ist, welches zu den Bogenmaterialien im Falle eines Ultraschall-Messverfahrens eine deutlich unterschiedlichen akustischen Widerstand aufweist und somit zu Signalreflexionen führt. Bei Einlegen zweier oder mehrerer Bögen ist die Signalbedämpfung durch Signalbrechung und Reflexion so groß, dass das ausgesendete Signal überproportional stark bedämpft wird. Bei anderen Messverfahren betrifft dies die Opazität und die Oberflächenbeschaffenheit und Farbe und Dicke, ein anderes Dielektrikum, andere elektro-magnetische Leitfähigkeit oder andere magnetische Bedämpfung.
- Unter einem derartigen Doppelbogen fällt auch eine Verbindung von Bögen, welche nicht haftend ausgelegt ist, z.B. mittels einer mechanischen Verzahnung oder Rändelung von Bögen, da das entsprechende Zwischenmedium ebenfalls Luft wäre.
- Diese Betrachtung gilt auch für Mehrfachbogen, bei denen drei oder mehr einzelne Lagen von Bogenmaterialien übereinander geschichtet sind.
- In der
Fig. 5b ist schematisch ein Doppelbogen 12 mit Klebestelle 13 gezeigt. - Die Wirkungsrichtung des eingesetzten Messverfahrens, wobei wiederum von Ultraschall ausgegangen wird, ist mit Pfeilen angedeutet.
- Als Klebestelle im Rahmen dieser Betrachtung werden stumpfe, mehr oder weniger überlappende oder dergestalt ausgeführte Verbindungen von Bögen, insbesondere Papierbögen, Kunststoffen, Folien und Stoffen (Vliesen), angesehen. Die Verbindung geschieht dabei überwiegend mittels mindestens eines teilflächig oder vollflächig haftenden Mediums, insbesondere mittels ein- oder zweiseitig vorgesehener Haft- und Klebestreifen bzw. Kleber.
- In physikalischer Hinsicht bedeutet daher eine Klebestelle für ein Verfahren mittels Ultraschall einen "akustischen Kurzschluss" durch das der Zwischenraum zwischen oberem Bogen Z1 und unterem Bogen Z2 ausfüllende und diese innig verbindende Klebematerialschicht, wobei oberhalb und unterhalb der Einfachbogen Luft mit Z0 angenommen wird.
- Eine Klebestelle könnte daher im Detektionsverfahren mittels Ultraschall im Wesentlichen als Einfachbogen mit hoher Grammatur detektiert werden.
- In
Fig. 5c sind schematisch zwei Ausführungsformen von Etiketten 15, 17 dargestellt. - Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter Etikett mindestens eine oder mehrere auf einem Grund- oder Trägermaterial haftend aufgebrachte Materialschicht oder Materialschichten verstanden. Das geschichtete Material verhält sich z.B. bezüglich der Schalltransmission nach außen hin wie ein verbundenes Materialstück, so dass teilweise keine signifikante Bedämpfung der jeweiligen physikalischen Größen vorliegt, sondern nur eine vergleichsweise geringe, aber noch gut auswertbare Bedämpfung. Mögliche Inhomogenitäten im Trägermaterial oder aufgebrachtem Material finden bei dieser Betrachtung keine Berücksichtigung, da inbesondere bei Etiketten von einem fehlerfreien Material ausgegangen werden kann.
- Das Etikett 15 weist im Beispiel nach
Fig. 5c ein auf einem Trägermaterial mittels einer innigen Haftverbindung aufgebrachtes oberes Material mit dem Parameter Z2 auf. Auf beiden Seiten des Etikettes ist Luft mit dem Parameter Z0 vorhanden. Durch diese innige Haftverbindung liegt zwischen den Materialien bei einem Detektionsverfahren mittels Ultraschall ein akustischer Kurzschluss vor, so dass eine Analogie zu Klebestellen nachFig. 5b vorhanden ist. - Gleiches gilt auch für das Etikett 17 nach
Fig. 5c , was sich lediglich durch eine zweite, obere aufgebrachte Materialschicht von dem Etikett 15 unterscheidet. Auch in diesem Fall kann von einem akustischen Kurzschluss zwischen den Materialien ausgegangen werden. - Diese grundlegenden Betrachtungen zur Detektion von Doppelbogen, Klebestelle, Etikett und dergleichen, erlaubt es daher mittels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung auch anders geschichtete Einfachbögen oder mehrfach geschichtete Materialien zu detektieren und zu unterscheiden. Insbesondere ist hierdurch auch die Detektion bzw. das Zählen von auf flachen Materialien aufgebrachten Etiketten, die eine dazwischen liegende Objektlücke aufweisen, möglich.
- In
Fig. 6 ist schematisch und blockschaltartig eine Vorrichtung zur Fehl-, Einfach-.und Mehrfachbogenerkennung gezeigt, wobei die Korrektur-Kennlinie als Kombination einzelner Kennlinien erzeugt wird. - Zwischen dem Sender T und dem Empfänger R werden die zu detektierenden flächigen Materialien bzw. Bogen geführt. Die nach den Verstärkern resultierend e Korrektur-Kennlinie wird im Beispiel mit einer ersten Korrektur-Kennlinie in der Verstärkereinrichtung 21 und wenigstens einer zweiten Korrektur-Kennlinie in der Verstärkereinrichtung 22, die parallel geschaltet ist, verwirklicht. Das am Ausgang des Empfängers R vorliegende Messsignal bzw. dessen Kennlinienverlauf über die Grammatur wird daher einer kombinierten Korrektur-Kennlinie unterzogen, um eine gut auswertbare Zielkennlinie 23 zu erhalten, die in einem Mikroprozessor 6 weiter bewertet wird.
- Im Hinblick auf die Kombination von Korrektur-Kennlinien kann dies auch in einem Signalverstärker realisiert werden oder in mehreren in Reihe geschalteten oder parallel geschalteten einzelnen Signalverstärkern zur Erzeugung der Gesamtverstärkung. Die Realisierung der Korrektur-Kennlinie kann daher auf unterschiedlichste Weise erfolgen, da der wesentliche Grundgedanke der Erfindung, eine Detektion von Einfachbogen, Fehlbogen oder Mehrfachbogen durchzuführen, und dies über einen großen Grammaturbereich, ohne einen Teach-in-Vorgang integrieren zu müssen, beibehalten wird.
- In
Fig. 7 ist der schematische und blockschaltartige Aufbau einer modifizierten Vorrichtung zur Realisierung der Erfindung dargestellt. Das Messsignal des Empfängers R wird nachfolgend auf eine Verstärkereinrichtung 24 geführt, deren Signalausgang auf einen Mikroprozessor 6 geleitet ist. - Der Mikroprozessor 6 erlaubt es in diesem Beispiel über die Rückkopplung im Pfad A eine vorgegebene Korrektur-Kennlinie über das symbolisierte Potenziometer 25 einzustellen.
- In einer alternativen Schaltungsweise wird eine entsprechende Korrektur-Kennlinie mittels des Mikroprozessors 6 und den erhaltenen oder gespeicherten Daten errechnet und über den Pfad B auf die Verstärkereinrichtung 24 rückgekoppelt und eingeprägt.
- Auch ist es möglich, eine Korrektur-Kennlinie empirisch oder über die Messung eines repräsentativen Materialspektrums, welches detektiert werden soll, zu ermitteln und der Auswerteeinheit inklusive Mikroprozessor 6 einzugeben. Hierbei kann die ermittelte Korrektur-Kennlinie C über den Pfad B der Verstärkereinrichtung 24 wertdiskret oder wertkontinuierlich eingeprägt werden oder die Bewertung des verstärkten Ausgangssignales direkt im Mikroprozessor 6 auf der Basis der Korrektur-Kennlinie C durchgeführt werden.
- In
Fig. 8 ist in schematischer Darstellung die empirische Bestimmung einer Messsignal-Kennlinie gezeigt. Hierzu werden zwischen dem Sender T und dem Empfänger R eine Vielzahl am Markt übliche Materialien vorbeigeführt und hierüber die entsprechende Messsignal-Kennlinie ermittelt. Üblicherweise wird hierbei der Messbereich durch das Einbringen des dünnsten verfügbaren Bogenmaterials A und des dicksten zu detektierenden Bogenmaterials B festgelegt werden. - Die derart ermittelte Messsignal-Kennlinie kann dann dem weiterverarbeitendem System, z.B. einem Mikroprozessor, zugeführt werden, um zu dieser Messsignal-Kennlinie eine weitgehende optimale Korrektur-Kennlinie zu ermitteln um die geforderte Zielkennlinie zu erreichen.
- In
Fig. 9 ist schematisch eine Vorrichtung 40 zur berührungslosen Detektion von Mehrfachbogen A, ohne die Durchführung eines Teach-in-Schrittes, und der Detektion von auf einem Trägermaterial haftend aufgebrachten Materialschichten B, z.B. Etiketten, dargestellt. - Ein wesentlicher Gedanke hierbei ist, die Messsignalauswertung für Mehrfachbogen einem separaten Kanal A mit entsprechender Korrektur-Kennlinie zuzuleiten sowie parallel dazu die Messsignalauswertung für Etiketten B einem separaten Kanal B mit angepasster Korrektur-Kennlinie zuzuführen.
- Das am Ausgang des Empfängers R erhaltene Messsignal wird daher über einen seitens des Mikroprozessors 6 gesteuerten Multiplexer 34 auf den entsprechenden Kanal A oder Kanal B geschaltet. Die Signalverstärkung im Kanal A unterliegt hierbei einer separaten Korrektur-Kennlinie mit optimaler Auslegung zur Mehrfachbogenerkennung. Die Signalverstärkung im Kanal B unterliegt einer Korrektur-Kennlinie für das Etiketten-Messsignal. Beide Kanäle A, B werden über einen nachfolgenden Multiplexer 35, der ebenfalls mikroprozessorgesteuert ist, dem nachgeschalteten Mikroprozessor 6 zur weiteren Auswertung und Detektion von Mehrfachbogen oder Etikett zugeführt.
- Diese Vorrichtung 40 eignet sich sowohl für die Detektion mittels Ultraschallwellen. Der wesentliche Vorteil ist die gezielte Möglichkeit, die jeweils geeignetsten Korrektur-Kennlinien für die grundsätzlich verschiedenen Messaufgaben, nämlich für die unterschiedlichsten Materialtypen, wie im vorliegenden Fall Mehrfachbogen und Etiketten, zur Auswertung mit einzubeziehen.
-
Fig. 10 zeigt schematisch ein Diagramm der normierten Ausgangsspannung UA in % in Abhängigkeit von der Grammatur. Eingetragen ist die Zielkennlinie 42 eines Einfachbogens bei logarithmischer Verstärkung über den Grammaturbereich. - Dargestellt sind weiterhin im oberen Bereich mit durchgezogener Linie die Luftschwelle LS und im unteren Bereich mit unterbrochenem Linienzug die Doppelbogenschwelle DBS.
- Wesentlich ist jedoch, dass die Doppelbogenschwelle dynamisch vorgesehen werden kann, wobei dies über Abschnitte des Grammaturbereiches konstant erfolgen kann. Dies ist durch die Linienzüge B1, B2 und B3 verdeutlicht.
- Andererseits ist die dynamische Einstellung der Doppelbogenschwelle auch linear bzw. als Polynomzug beliebigen Grades verlaufend einstellbar, wie dies beispielsweise zwischen den Punkten P1, P2, P3 und P4 gezeigt ist.
- Mit dieser dynamischen Einstellung der Doppelbogenschwelle lässt sich eine zusätzliche Erweiterung der messbaren Grammaturen bzw. Flächengewichte erreichen, so dass das detektierbare Materialspektrum noch vergrößert werden kann.
- Die
Fig. 11 betrifft ein weitgehend ähnliches Diagramm wie dieFig. 10 , wobei der Verlauf der Zielkennlinie 42 für den Einfachbogen über den gesamten Grammaturbereich weitgehend übereinstimmt. Eingezeichnet ist einerseits die dynamische Schwelle MBS für den Mehrfachbogen und deren Verlauf zwischen den Punkten P1a, P2a und P3a. - Der Kurvenverlauf 44 markiert hierbei den oberen Wert des Flatterbereiches für einen Einfachbogen und die Kurve 45 den unteren Wert des Flatterbereichs für einen Einfachbogen.
- In den
Fig. 12a, 12b ist in schematischer Weise die prinzipielle Anordnung zur Detektion von einwelliger Wellpappe 51 bzw. zweiwelliger Wellpappe 60 sowie die Laufrichtung L unter Berücksichtigung von zwei Sensoren 61, 62, insbesondere Ultraschallsensoren, dargestellt. - Die Wellpappe 51 nach
Fig. 12a ist einwellig und hat an ihren Adhäsionspunkten mit einer unteren Bodenlage 52 bzw. einer oberen Decklage 53 Klebstoffbereiche 54 sowie Boden- und Decklage verbindenden Stege, die eine Wellenfläche aufspannen 55. - Diese Stege 55 zwischen Pappwelle und den entsprechenden, z.B. horizontal verlaufenden Boden- bzw. Decklagen, stellen sozusagen einen "akustischen Kurzschluss" bei der Verwendung von Ultraschall dar.
- Der im Beispiel nach
Fig. 12a eingesetzte Sensor weist einerseits den Sender T und den Empfänger R auf, die in ihrer Hauptachse koaxial zueinander ausgerichtet sind. Die Ausrichtung von Sender T und Empfänger R erfolgt bevorzugterweise etwa senkrecht zur größten Wellenfläche 55 bzw. unter einem Winkel β1 zur Lotrechten der einwelligen Wellpappe. - Der weiterhin angeführte Winkel β2 markiert den Winkel zwischen der Lotrechten zur Wellpappe und der Flächenrichtung der Hauptfläche der Welle.
- Der optimale Winkel β1 zur Schalleinkopplung bei einem Ultraschallsensor auf eine einwellige Wellpappe, welche einen erforderlichen akustischen Kurzschluss AK zwischen Bodenlage 52 und Decklage 53 aufweist, wird durch die Steigung t/2h bestimmt. Hierbei ist t der Abstand zwischen zwei Wellenbergen und h die Höhe der Welle bzw. der Abstand zwischen Bodenlage und Decklage.
- Bei einer optimalen Anordnung des Sensors ist man bestrebt, eine Ausrichtung mit β1=β2 zu erreichen, wobei diese Winkel dann im Beispiel 45° wären. Die Übereinstimmung der Winkel β1 und β2 ist jedoch nicht zwangsläufig zur Detektion von Fehl-, Einfach- oder Mehrfachlagen von Wellpappen erforderlich.
- In
Fig. 12b ist eine zweilagige Wellpappe 60 mit der unteren ersten Welle 58 und der oberen zweiten Welle 59 dargestellt. Die Anordnung eines Ultraschall-Sensors T, R entspricht dem nachFig. 12a . - Wesentlich für die Detektion bei zweiwelligen oder mehrwelligen Wellpappen ist auch hier der akustische Kurzschluss AK1 und AK2 zwischen den einzelnen Lagen, d.h. eine materialmäßige Verbindung im Sinne eines haftend an den Lagen verbundenen Steges zum Verbinden der einzelnen Decklagen. Auf diese Weise ist es möglich, bei einem Ultraschall-Sensor eine hohe Schallenergie auf die mehrwellige Wellpappe zu übertragen, so dass eine maximale Krafteinwirkung etwa lotrecht zur aufgespannten Fläche der Welle erreicht wird.
-
Fig. 13 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung 60, in der die Auswertung der Amplitude mittels Korrektur-Kennlinie und mit einer Auswertung der Phase kombiniert wird. Das von einem Signalgenerator 63 erzeugte Signal, z.B. Ultraschallsignal, wird einem Sender T zugeführt und abgestrahlt. Das vom Empfänger R empfangene Messsignal ist abhängig von der Anzahl der flächigen Objekte im Sender-Empfänger-Spalt. Das Messsignal des Empfängers R wird dann einerseits einer Auswerteeinrichtung 61 zugeführt, der mindestens eine Korrektur-Kennlinie eingeprägt ist. - Am Ausgang der Auswerteeinrichtung 61 liegt das durch die Amplitudenauswertung ermittelte Detektionssignal für Fehl-, Einfach- oder Mehrfachbögen vor. Dieses wird anschließend auf einen Mikroprozessor 64 zur Verknüpfung und z.B. logischen Bewertung zusammen mit dem über die Phasenauswertung ermittelten Signal geführt.
- Zur Phasenauswertung weist die Vorrichtung 60 einen Synchrongleichrichter 62 auf. Dieser erhält einerseits das Signal und die Phase am Ausgang des Signalgenerators über den Pfad 67. Andererseits sind über die Leitung 68 das Messsignal und die entsprechende Phase am Ausgang des Empfängers R dem Synchrongleichrichter zugeleitet. Aufgrund der im Synchrongleichrichter 62 gebildeten Phasendifferenz kann somit ein Detektionssignal erzeugt werden, welches der Anzahl der vorliegenden Bögen, bzw. der Anzahl der Schichtungen der auf einem Grundträger haftend aufgebrachten Schichten, bzw. der Klebestellen oder Etiketten entspricht.
- Beide Signale aus kennlinienkorrigierter Amplitudenauswertung und Phasenauswertung werden im Beispiel dem Mikroprozessor 64 zugeführt, an dessen Ausgang das kombinierte Detektionssignal zur Bestimmung des Vorliegens eines Einfachbogens, eines Fehlbogens oder eines Mehrfachbogens erhalten wird.
- In einer modifizierten Auslegung der Auswerteeinrichtung 61 für die Amplitude und des Synchrongleichrichters 26 kann eine programmgesteuerte Auswertung und Bewertung der beiden Signale im Mikroprozessor 64 erfolgen, dessen Ausgangssignal 65 das Detektionssignal für die Anzahl der ermittelten flächigen Objekte bzw. Bögen darstellt.
- In vorteilhafter Weise können Amplitude und Phase sowohl parallel als auch wahlweise als Einzelsignal, aber auch als gewichtetes Signal, verstärkt und ausgewertet werden.
- Unter Berücksichtigung der vorausgehenden Beschreibung schafft die Erfindung verfahrens- wie vorrichtungsmäßig eine Lösung zur sicheren Erkennung von Einfachbögen, Fehlbögen und Mehrfachbögen, speziell Doppelbögen, wobei dies nicht nur über einen sehr breiten Grammatur- und Flächengewichtsbereich gilt, sondern auch im Hinblick auf flexible Einsatzmöglichkeiten und unterschiedliche Materialspektren.
Claims (15)
- Verfahren zum berührungslosen Detektieren von Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogen von Objekten (2) in Bogenform, insbesondere Papier,a) bei dem die Objekte (2) im Strahlungsweg zwischen mindestens einem Sender (T) und einem zugeordneten Empfänger (R) einer Sensoreinrichtung (10) angeordnet werden,b) bei dem die durch die Objekte (2) transmittierte Strahlung oder die bei einem Fehlbogen vom Empfänger (R) empfangene Strahlung als Messsignal (UM) empfangen wird,c) bei dem das Messsignal (UM) einer nachfolgenden Auswertung (4) zum Erzeugen eines Detektionssignals zugeführt wird,d) wobei durch eine Eingangsspannung (UE) des Messsignals (UM) in Abhängigkeit von einem Flächengewicht der Objekte (2) eine Messkennlinie (MK) gebildet ist,e) wobei durch eine Ausgangsspannung (UA) an einem Ausgang der Auswertung (4) in Abhängigkeit von dem Flächengewicht der Objekte (2) eine Zielkennlinie (ZK) für Einfachbogen gebildet ist,f) wobei eine Amplitude der Ausgangsspannung ausgewertet wird (Amplitudenauswertung),g) bei dem der Auswertung (4) mindestens eine Korrektur-Kennlinie (KK) vorgegeben wird undh) bei dem die Messkennlinie (MK) zum Erzeugen des Detektionssignals mit der Korrektur-Kennlinie (KK) zu der Zielkennlinie (ZK) für die Objekte (2) transformiert wird,
dadurch gekennzeichnet,i) dass die Zielkennlinie (ZK) mit zunehmendem Flächengewicht der Objekte (2) monoton fällt,k) dass die Zielkennlinie (ZK) einen ersten, einen mittleren und einen dritten Bereich des Flächengewichts aufweist, wobei der mittlere Bereich zwischen dem ersten und dem dritten Bereich liegt,l) dass die Zielkennlinie in dem ersten Bereich und dem dritten Bereich mit zunehmendem Flächengewicht steiler abfällt als in dem mittleren Bereich, wobei die Zielkennlinie in allen drei Bereichen jeweils linear abfällt undm) dass eine Phase des Messignals (UM) gemessen und ausgewertet wird (Phasenauswertung) und dass durch Verknüpfen der Amplitudenauswertung und der Phasenauswertung das Detektionssignal für Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogen der Objekte (2) erzeugt wird. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Phasenauswertung die Phasendifferenz zwischen Phase des Sendersignales und Phase des Empfängersignales gebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Phasendifferenz als analoges Ausgangssignal, insbesondere mittels Synchrongleichrichtung, ermittelt wird. - Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Phasendifferenz als digitales Ausgangssignal, insbesondere mittels Synchrongleichrichtung ermittelt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein gewichteter Vergleich zwischen den Ausgangssignalen der Amplitudenauswertung und der Phasenauswertung zur Erzeugung des Detektionssignals durchgeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Bezug auf Einfachbogen, Fehlbogen oder Mehrfachbogen, mindestens zwei Schwellen als obere und untere Schwelle vorgegeben werden, wobei bei einer Ausgangsspannung größer als die obere Schwelle, dies als "Fehlbogen" ausgewertet wird,
bei einer Ausgangsspannung zwischen den Schwellen dies als "Einfachbogen" und
bei einer Ausgangsspannung kleiner als die untere Schwelle, dies als "Mehrfachbogen" ausgewertet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Auswerteeinrichtung und Sender eine Rückkopplung zur Maximierung der Amplitude des empfangenen Messsignales durchgeführt wird. - Vorrichtung zum berührungslosen Detektieren von Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogen von Objekten in Bogenform (2), insbesondere Papier, insbesondere zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,a) mit mindestens einer Sensoreinrichtung (10), die mindestens einen Sender (T) und einen zugeordnetem Empfänger (R) aufweist,b) wobei die Objekte (2) im Strahlungsweg zwischen dem Sender (T) und dem Empfänger (R) positionierbar sind,c) wobei der Empfänger (R) zum Empfangen der durch die Objekte (2) transmittierten Strahlung oder der bei einem Fehlbogen der Objekte (2) erhaltenen Strahlung als Messsignal (UM) dient, undd) mit einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung (4, 5, 6), die mit dem Empfänger (R) zum Zuführen des Messsignals (UM) verbunden und zum Erzeugen eines Detektionssignals eingerichtet ist,e) wobei die Auswerteeinrichtung (4, 5, 6) eine Amplitudenauswerteeinrichtung (61) aufweist, die eingerichtet ist zum Auswerten einer Amplitude einer Ausgangsspannung (UA),f) wobei der Auswerteeinrichtung (4) eine Korrektur-Kennlinie (KK) für eine Messkennlinie (MK) vorgegeben ist, wobei die Messkennlinie (MK) die Eingangsspannung (UE) des Messsignals (UM) für die Objekte (2) in Abhängigkeit von einem Flächengewicht der Objekte (2) ist,g) wobei durch die Ausgangsspannung (UA) an einem Ausgang der Auswerteeinrichtung (4, 5, 6) in Abhängigkeit von dem Flächengewicht der Objekte (2) eine Zielkennlinie (ZK) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,h) dass die Auswerteeinrichtung (4, 5, 6) eingerichtet ist zum Transformieren der Messkennlinie (MK) mit der Korrektur-Kennlinie (KK) zu der Zielkennlinie (ZK) dergestalt,i) dass die Zielkennlinie (ZK) mit zunehmendem Flächengewicht der Objekte (2) monoton fällt,k) dass die Zielkennlinie (ZK) einen ersten, einen mittleren und einen dritten Bereich des Flächengewichts aufweist, wobei der mittlere Bereich zwischen dem ersten und dem dritten Bereich liegt,l) dass die Zielkennlinie in dem ersten Bereich und dem dritten Bereich mit zunehmendem Flächengewicht steiler abfällt als in dem mittleren Bereich, dass die Zielkennlinie in allen drei Bereichen jeweils linear abfällt,m) dass die Auswerteeinrichtung (4, 5, 6) eine Phasenauswerteeinrichtung (62) zum Auswerten einer Phase des Messsignals (UM) aufweist undn) dass Signale der Amplitudenauswerteeinrichtung (61) und der Phasenauswerteeinrichtung (62) einer Einrichtung (64) zum Erzeugen eines kombinierten Ausgangssignals als Detektionssignal für Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogen der Objekte zugeführt sind. - Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung für die Phase des Messsignales einen Synchrongleichrichter (62) zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen Phase des Sendersignales (67) und Phase des Empfängersignales (68), aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Synchrongleichrichter (62) mit analoger Signalausgabe ausgestattet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Synchrongleichrichter (62) mit digitaler Signalausgabe ausgestattet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Einrichtung (64) zur Verknüpfung beider Signale der Auswerteeinrichtungen (61, 62), insbesondere als gewichteter Vergleich, vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Einrichtung zum Selbstabgleich oder zur Einstellung der Sendefrequenz und/oder der Sendeamplitude auf das Empfängersignal vorgesehen ist. - Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Selbstabgleich in zur Sendefrequenz synchronisierten Zeiten oder in definierten Pausezeiten durchführbar ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Rückkopplungseinrichtung zwischen der Auswerteeinrichtung (4), insbesondere einem Mikroprozessor (6), und der Sensoreinrichtung (10) vorgesehen ist.
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