SE504575C2 - Anordning för ultraljudsmätning av elastiska egenskaper hos en pappersbana i rörelse - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 575 2 4,29l,577, US 4,688,423, US 4,730,492) använder roterande hjul, som innehåller sändare och mottagare för ultraljuds- vågor. Dessa hjul roteras av en pappersbana i rörelse, vilket kräver en direkt fysisk kontakt mellan hjulen och banan.

Ultraljudshastigheten bestäms vanligtvis av fördröjningstiden hos en ultraljudsignal mellan den ifrågavarande sändaren och mottagaren.

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

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

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

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

Ett mycket starkt akustiskt buller finns vid papperstillverk- ningsmaskiner, vilket beledsagas av vibrationerna i den i rörelse befintliga Väven. I själva verket gör detta den 10 15 20 25 30 35 504 575 optiska detekteringen av de symmetriska Lamb-vågorna av 3 lägsta ordningen omöjlig, och endast dessa vågor är lämpliga för mätningar av styvheten och draghållfastheten hos papper.

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

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

Nackdelen med det i de ovan nämnda ryska patenten beskrivna systemet är, att signal/brusförhållandet icke är tillräckligt högt för att tillåta tillförlitliga, kontinuerliga mätningar under drift i en fabriksomgivning. En annan nackdel är att excitering och mottagning av ultraljudsvågorna utföres från motsatta sidor av pappersbanan. Ett annat problem, som man måste räkna med vid utförande av mätningar i andra riktningar än maskinriktningen (MD), är att t.o.m. värre signal/brusför- hållande erhålles då på grund av de högre ultraljudsförlus- terna i ett anisotropiskt material.

Huvudsyftet med uppfinningen är att åstadkomma förbättrad härdighet mot buller för systemet i en pappersfabriksomgiv- ning. 10 15 20 25 30 35 504 575 4 Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett system för direkt mätning med åtkomst från en sida av pappersbanan för att åstadkomma mätningar vid olika riktningar inom en bana i rörelse.

Ytterligare ett annat syfte med uppfinningen är att åstad- komma en förbättrad signalbehandlingsmetod för tillförlitlig bestämning av ultraljudshastigheten i pappersbanan.

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

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen löser problemen förknippade med de tidigare kända och andra problem genom att åstadkomma ett system för kontinuerliga mätningar av hastigheten hos ultraljudsvågor i en pappersbana under rörelse. Detta åstadkommas genom att excitera en bredbandig Lamb-våg av brustyp i banan, mottaga icke berörande den ultraljudsvåg, som återutsänds av banan vid åtminstone tre olika punkter och bestämma fördröjnings- tiden mellan den mottagna signalen, som mottas direkt av en första referensmottagarmikrofon placerad i närheten av ex- citeringspunkten, och de adderade andra två signalerna, som mottas av uppfångningsmottagarmikrofoner skilda åt med en halv våglängd i luft för den utsända ultraljudsvågen vid mittfrekvensen hos det frekvensband, som användes för mät- ningar.

Avstånden mellan exciteringspunkten och de två uppfångnings- mottagarna är kända. Fördröjningstiden för ultraljudsvågen bestämmes företrädesvis såsom en nollgenomgång för Hilbert- transformen av de mottagna signalernas korskorrelationsfunk- tion svarande mot korskorrelationsfunktionens maximivärde.

Ultraljudsvågkällan och alla ultraljudsmottagarna är före- trädesvis placerade på endast en sida av banan.

För att göra systemet robust mot buller, dvs. åstadkomma ett lågt signal/brusförhållande, utföres mottagningen av de 10 15 20 25 30 35 504 575 återutsända ultraljudsvågorna ovanför en roterande cylinder i 5 en papperstillverkningsmaskin vid den speciella positionen med avseende på den linje, där banan under rörelse gör meka- nisk kontakt med cylindern för första gången. Den bredbandi- ga, brusliknande Lamb-vågen i banan genereras medelst torr- friktionskontakt mellan den i rörelse befintliga banan och ett friktionshuvud. Därför har systemet inga rörliga delar, och alla signaler mottas medelst icke-berörande medel.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING För en mer fullständig förståelse av uppfinningen och för ytterligare egenskaper och fördelar med den görs nu referens till följande beskrivning gjord i samverkan med de bifogade ritningarna, där: fig. 1 är en schematisk sidovy av ett tidigare känt mät- system, fig. 2 är en schematisk sidovy av en första utföringsform av ett mätsystem enligt uppfinningen, fig. 3A-3D är diagram av signaler åstadkomna vid olika arbetssteg vid sökning efter fördröjningstiden för den ultraljudsvåg, som sänds genom pappersbanan, fig. 4 är en flödesplan för behandlingsoperationen för att åstadkomma fördröjningstiden hos ultraljudsvågen inom pappersbanan, fig. SA är en schematisk sidovy av en andra utföringsform av en mätanordning enligt uppfinningen, fig. 5B och 5C visar en schematisk vy uppifrån av två ut- föringsformer av systemet enligt fig. SA med möjlig- het att mäta ultraljudshastigheten i olika rikt- ningar, fig. SD illustrerar en graf för att åstadkomma ett extra- polerat värde för ultraljudshastigheten i tvär- riktningen, och fig. 6A, 6B visar perspektivvyer av en utföringsform av ett sändar/mikrofonelement.

Med hänvisning till fig. 1 innefattar en tidigare känd di- rektmätande pappersmätningsanordning angiven i det sovjetiska patentet 489018 ett friktionshuvud 1, som är placerat på ena 10 15 20 25 30 35 504 575 6 sidan av en pappersbana 2 under rörelse och som genererar en brusliknande ultraljudsignal vw som resultat av en torrfrik- tion mellan huvudet 1 och banan 2. En slumpmässig signal med normalfördelningsfunktion på upp till 70-90 kHz exciteras.

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

Signalerna från mikrofonerna Micl och Mic2 matas till en behandlingsenhet 4', som korrelerar de båda signalerna för att utvinna fortplantningstiden genom banan, så att ultra- ljudsvågens hastighet i pappersbanan kan beräknas, och resul- taten presenteras på en visningsenhet 5'.

Enligt uppfinningen vidtas mått för att förbättra signal/- brusförhållandet hos de korrelerade signalerna, speciellt i en bullrig omgivning. Därför är, i enlighet med en första utföringsform av uppfinningen visad i fig. 2, en dubbelkana- lig, mätande, mottagande mikrofonanordning anordnad för att mottaga den våg, som fortplantas genom banan, eftersom det lägsta signal/brusförhållandet erhålles vid ingången på mikrofonen Mic2 i det tidigare kända systemet, som visas i fig. 1. Det bör emellertid observeras att fler än två upp- fångningsmikrofoner kan anordnas i enlighet med uppfinningen.

Enligt uppfinningen är minst två ultraljuds-uppfångnings- mikrofoner Mic2a och Mic2b, vilka är uppfångningselementen i uppfångningsmottagarna, placerade på ett avstånd lm från varandra, vilket avstånd är valt att vara en halv våglängd hos ultraljudsvågen i luft vid mittfrekvensen för bandbredden 10 15 20 25 30 35 1 504 575 hos den ultraljudsvåg, som transmitteras genom pappersbanan.

Mikrofonen Mic2a är placerad mittemot den kontaktlinje Cl mellan den roterande cylindern 3 och pappersbanan 2, från vilken linje den bästa utstrålningen i luften av den våg, som fortplantar sig i banan åstadkommes. Mikrofonen Mic2b är placerad på den sida av mikrofonen Mic2a, som är vänd bort från friktionshuvudet 1. De laterala dimensionerna hos upp- fångningsmikrofonerna Mic2a och Mic2b samt även hos referens- mikrofonen Micl är minst 10 gånger mindre än våglängden hos ultraljudsvågen i pappersbanan, och alla mikrofonerna är placerade med ett avstånd från banan, som är mindre än en våglängd hos den ultraljudsvåg so, som återutsänds till luften från pappersbanan. Brus eller buller sänds också till luften från den kontaktlinje C2, där banan först möter cylin- dern 3. Detta brus eller buller bör företrädesvis undertryck- as så mycket som möjligt. Därför finns en brusundertryckande skärm 6, t.ex. gjord av gummi, runt mikrofonerna Mic2a och Mic2b och skyddar dem från bruset från kontaktlinjen C2 och också från omgivande brus eller buller. Sålunda är dess yttre kant närmast kontaktlinjen C placerad nedströms om denna 2 linje. Mikrofonerna Mic2a och Mic2b är placerade nära den inre kanten av skärmen 6.

Den för indikering intressanta signaldelen av ultraljudsvågen v som transmitteras genom banan, är vågsignalen s vilken I . sïarar mot den symmetriska nollte ordningens Lamb-vågor, som fortplantar sig i banan 2, dvs. den våg som fortplantar sig snabbast. Sålunda baserar sig arbetsprincipen på en skillnad hos ultraljudshastigheter i luft (va=343 m/sek) och papper =1,5-4 km/sek). (v Signalerna vid mikrofonernas Mic2a och Miëgb utgångar ges av: u2a=ys+ya+nmd+n0a uzb (t) =ks=~ys (t-Ats) +ka=~ya (t-Ata) +1 där u2a(t) och u2b(t) är de kompletta vågsignalerna vid de respektive mikrofonernas Mic2a och Mic2b utgång, ys(t) är so- vågsignalen vid utgången på mikrofonen Mic2a, ya är den luftburna vågen, som genereras av friktionshuvudet, nmd är det brus eller buller, som fortplantar sig utmed maskinrikt- ningen vid utgången på mikrofonen, n0a(t) och n0b(t) är 10 15 20 25 30 35 504 575 3 elektroniskt brus och omgivande brus eller buller, som fort- plantar sig utmed andra riktningar än maskinriktningen, ks, ka och kn är de koefficienter, som återspeglar asymmetrin hos mikrofonerna Mic2a och Mic2b för de ifrågavarande vågorna, Ats=lm/vso är fördröjningstiden hos so-vågen mellan mikrofo- nerna Mic2a och Mic2b, och Ata=lm/va är tidsfördröjningen hos luftburna vågor mellan mikrofonerna Mic2a och Mic2b som fortplantar sig utmed maskinriktningen.

På grund av avsevärda skillnader i ultraljudshastigheter inom pappersbanan och i luft, blir Ats< to=l/fo, där fo är mittfrekvensen i signalspektrumet. Därför är spektralkomponenterna med frekvenser lika med eller nära frekvensen fn approximativt: Ys(t)=Ys(t'Åts) Ya(t)='Ya(t'4ta) nmd(t)z-nmd(t+Ata) Då ger addition mellan signalerna från de två mikrofonerna Mic2a och Mic2b följande resultat: u2(t)=u2a(t)+u2b(t)=(1+ks)*yS(t)+(1-ka)*ya(t)+(1-kn)*n )+- n0a(t)+n0b(t) Koefficienterna ks, k tivt: md(t a, kn är nära 1, vilket ger approxima- H2(t)=2*Ys(t)+6aYa(t)+6nfimd(t)+[n0a(t)+fi0b(t)] där aa och en är mycket lägre än 1, vilket indikerar att amplituden hos so-vågsignalen förstärks två gånger och ampli- tuden hos den våg, som fortplantar sig i luft utmed maskin- riktningen från friktionshuvudet är väsentligt reducerad, liksom det brus eller buller, som fortplantar sig i maskin- riktningen. Elektroniskt brus eller brus, som anländer från riktningar andra än maskinriktningen, är icke undertryckta och adderas såsom partiellt korrelerade eller okorrelerade slumpmässiga processer.

Det bör observeras av avståndet lm mellan uppfångningsmikro- fonerna skulle kunna väljas på annat sätt, men då kommer de ovan angivna ekvationerna och kombinationerna av dem att 10 15 20 25 30 35 504 575 ändras. Det huvudsakliga särdraget vid valet av avstånd är, 9 att termen ys(t) ökas väsentligt och termen ya(t) reduceras väsentligt vid kombinationen.

Med hänvisning nu till en utföringsform med uppfångnings- mikrofonerna placerade med en halv våglängd hos den luftburna ultraljudsvågen från varandra för att uppskatta hastigheten hos s -vågen torde en korskorrelation göras på signalerna från geferensmikrofonen Micl och de adderade signalerna från de båda uppfångningsmikrofonerna Mic2a och Mic2b. Signalerna förstärks först i respektive förstärkare 7, 8, 9. Signalerna från förstärkarna 8 och 9 adderas i en adderare 10. Signaler- na från förstärkaren 7 och adderaren 10 matas till en pro- cessor 13 via bandpassfilter ll respektive 12. Processorn 13 är försedd med ett program för att utföra en automatisk tidsfördröjnignsmätning för att erhålla vågens hastighet i den aktuella pappersbanan.

Fördröjningstiden bestäms ur korskorrelationsfunktionen. För detta syfte kombineras två metoder, nämligen korskorrela- tionsfunktionens envelopptoppdetektering för en grov evalue- ring och nollgenomgångsdetektering av korskorrelationsfunk- tionens Hilbert-transform för de exakta mätningarna. Tids- 3A-3D. Denna metod är effektiv i fallet med relativt snävbandiga signaler, diagram, som illustrerar denna metod, ges i fig. dvs. när en korskorrelationsfunktion har en oscillerande karaktär.

Därför, såsom visas i fig. 3A, åstadkommes en korskorrela- tionsfunktion R (1) mellan den transmitterade och mottagna -vågsignalen vid utgångarna på mottagarna Micl, 7, 11, och 10, 12 so Mic2a, Mic2b, 8, 9, T âxy(T)=(1/T)I[X(t)+fll(t)]*[2Ya(t+f)+6[Ya(t+T)+flmd(t+T)1* n2(t+f)]dt O där T är den signalvaraktighet, som användes för beräkninten, x(t) och y(t+1) är signalerna från ingångskanalen Micl, 7, ll 10 15 20 25 30 35 504 575 respektive utgångskanalen Mic2a, Mic2b, 8, 9, 10 10, 12, och nl(t) är bruset mottaget av mikrofonen Micl och n2(t+f) är det adderade brus, Mic2b. som mottagits av mikrofonerna Mic2a och En nollgenomgång av Hilbert-transformen av korskorrelationen svarande mot maximivärdet på korskorrelationsfunktionen utförs.

Därefter erhålles envelopppen, såsom visas i fig. 3B, av en korskorrelationsfunktion Rxy(r) medelst Hilbert-transformen: Axy(r)=v[R§Y (1) + ñ íy ac), där w Rx, m =H:R,,Y1=f_æ Rxøm/[frflf-w] dt (T)] (se fig. är Hilbert-transformen av en korskorrelationsfunktion Å Rxy(r) och visas i fig. 3D. Fig. 3C visar detekteringen av den envelopptopp, som visas i fig. 3B.

Vid förekomsten av signaler, som fortplantar sig genom multi- pla banor, har korskorrelationsfunktionen några få toppar svarande mot olika fördröjníngar. Då kan enveloppfunktionen presenteras såsom N =2 Ai(1-fdi) AxY(T)i=1 där f .. är fördröjningarna i de motsvarande banor- , r .. na. Dgrfördâommer i ett allmänt fall icke enbart en utan några få toppar att detekteras. Den vederbörliga toppen hittas genom att man tar tidigare känd kunskap beträffande en förväntad anländningstid med i beräkningen och är vanligtvis den topp, som ligger närmast nollögonblicket.

Det erhållna, grova estimatet av fördröjningstiden ?di an- vändes för att alstra ett fönster H(t) inom en tidsdomän, vars bredd A1 är något mindre än halva svängningsperioden hos den bandbegränsade korskorrelationsfunktionen Ar 10 15 20 25 30 35 11 504 575 Fönstret är placerat symmetriskt med avseende på den bestämda fördröjningstiden Tdi A 1, för ëdi-(Af/2) 5 c 5 ?di+(Af/2) H(t-fdi)= 0, annars.

Det exakta fördröjningstidsestimatet erhålles från den fön- sterbehandlade Hilbert-transformen Rw(t) hos den initiala korskorrelationsfunktionen: (t)=H(t_Tdi)*Rxy (t) Toppvärdet på enveloppfunktionen AXy(1) svarar mot toppvärdet hos korskorrelationsfunktionen Rxy(r) endast vid fall av non- dispersiv (icke spridande) fortplantning. Såsom angavs ovan fortplantar sig den symmetriska so-vågen, som används för mätningarna, utan nämnvärd dispersion (spridning). Å andra sidan bör osäkerheten vid detektering av den grova fördröjningstiden vara mindre än to/2. För en mittfrekvens på 35 kHz kan grova fördröjningstidsosäkerheter på så mycket som to/2=14 um tillåtas. Vanligtvis uppfylls detta krav lätt, och ingen dubbeltydighet inträffar.

Korskorrelationsfunktionens Rxy(1) toppvärden svarar mot Hilbert-transformens §xY(f) nollvärden. Följaktligen kan nu den tid, när signalen anländer, hittas under användning av enkel nollgenomgångsteknik (fig. 3D): Rw(t)t=fdl=H(t-êdi)*ñxy(f)=fd1=o.

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

En flödesplan för ett program i processorn 13 för att auto- matiskt utvinna tidsfördröjningen visas i fig. 4 och innefat- tar förskjutning av fönstret A1, visat i fig. 3D, i flera steg för att finna den eftersökta tidsfördröjningen rd för pappersbanan 2. 10 15 20 25 30 35 504 575 Algoritmen består av tre huvudsteg: Korskorrelationens en- 12 veloppfunktion passas ihop med andra ordningens polynom; hitta topparna; och hitta deras klassificering i enlighet med en skärpa.

Algoritmen börjar från fönstergenereringen inom tidsdomänen.

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

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

Ett dylikt polynom kan ha en positiv eller negativ krökning beroende på vilket slags lokalt extremvärde - ett toppvärde eller ett minimivärde - som har hittats.

Strängt taget finner den andra ordningens polynomhoppassning alltid ett lokalt minimum eller maximum oberoende av hur det skapas - genom fördröjda signaler eller genom slumpmässiga brusfluktuationer. Inflytandet av lokala fluktuationer kan minskas genom ökningen av fönstrets bredd. Då är de toppar, som orsakas av fördröjda vågor vanligtvis skarpare än de andra, falska, topparna.

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

Fördröjningstidsestimatet fdi erhållet från denna topp an- vändes för att generera det ovan nämnda fönstret H(t). 10 15 20 25 30 35 13 504 575 Hilbert-transformen hos korskorrelationsfunktionen §xy(t) multipliceras med den fönsterbildande funktionen H(t).

Alla dessa funktioner är diskreta inom tidsdomänen. Avstånden mellan två angränsande punkter är lika med samplingsperioden Ats. För att erhålla mätfel mindre än signalsamplingsinter- vallet Ats hoppassas Hilbert-transformens segment under användande av minsta kvadratmetoden av femte ordningens polynom. Då har ekvationen fem rötter, men endast roten inom det skapade fönstret väljs. Denna rot är ett finestimat av . Våghastigheten v tidsfördröjningen t =l0/tdi, och drag- 0 är en dimensionslös konstant di styvheten TSI=c1*v02, där cl nära 1 beroende på Poissons förhållande för pappret.

Flödesplanen i fig. 4 förmodas vara själförklarande och beskrivs därför icke i ytterligare detalj.

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

Ur kommersiell synpunkt har ett mätsystem, i vilket alla enheter är placerade på samma sida om en pappersbana, många fördelar. Emellertid är det för att genomföra den enkelsidiga accessen nödvändigt att övervinna en hel del problem. 1. I enlighet med det tidigare kända kunde referens- mikrofonen icke sättas på samma avstånd från en signalkälla som den andra kanalens mikrofon från en pappersbana, eftersom både referensmikrofonen och signalkällan måste vara placerade på samma sida om banan. Av samma skäl kunde referensmikrofonytan van- ligtvis icke vara vinkelrät mot fortplantningsrikt- ningen hos signalen i luft, och detta orsakade en signifikant reduktion i ett normaliserat korskorre- lationsfunktionsvärde (covarians) eller en förvräng- ning av dess form. 10 15 20 25 30 35 504 575 14 Läget hos signalkällenheten och både referensmikro- fonen och den mottagande mikrofonen för de vågor, som fortplantats längsmed banan på samma sida, alstrar en direkt våg, som fortplantas i luft, som är mycket kraftigare än vid fallet med tillträde på två sidor, på grund av att det icke finns någon skärmning av luftburna vågor, eftersom då pappersbanan icke skärmar de luftburna ultraljuds- vågorna. Den minskar även en grad av korrelation mellan de utsända och mottagna signalerna. 3. Friktionshuvudet orsakar en förslitning av pappret och avskrapar fibrer, vilket producerar damm. Om det placeras på samma sida om banan som mikrofo- nerna kommer detta damm att transporteras till mikrofonerna, vilket märkbart kommer att reducera deras känslighet och distordera deras frekvens- svar, om samma slags friktionshuvuden användes såsom i det tidigare kända.

Därför åstadkommes ett nytt slags friktionshuvud 20 anpassat till en referensmikrofon 21 i enlighet med en ytterligare utveckling av uppfinningen och illustreras schematiskt i den andra utföringsformen av uppfinningen, som visas i fig. 5A, SB och SC.

Den huvudsakliga egenskapen hos kombinationen av friktionshu- vudet och referensmikrofonen är, att friktion och mikrofon- element är anordnade symmetriskt mot varandra. Detta innebär att det skulle kunna finnas ett friktionselement och ett jämt antal mikrofonelement anordnade symmetriskt i förhållande till friktionselementet, så att mikrofonerna i varje par har samma avstånd till friktionselementet, eller så kunde det finnas ett mikrofonelement och ett jämt antal friktionsele- ment placerade omkring mikrofonelementet. Friktionselementen har företrädesvis en nästan punktformig kontakt med pappers- banan. 10 15 20 25 30 35 504 575 Emellertid kommer friktionselement att producera damm i 15 omgivningen, och mått måste vidtas för att minimera inflytan- det av damm på mikrofonen eller mikrofonerna. Sålunda är den föredragna utföringsformen att ha en mikrofon mellan två punktformiga friktionselement placerade utmed en linje vin- kelrät mot maskinriktningen, dvs. pappersbanans rörelserikt- ning. Om flera än två friktionselement är anordnade, måste de alla vara placerade vid sidan om en linje genom ett ultra- ljudsmottagande element hos referensanordningen inriktad i maskinriktningen hos den i rörelse befintliga pappersbanan för att hindra damm från att komma direkt på mikrofonen.

En utföringsform av enheten med friktionshuvud och referens- mikrofon visas i fig. 6A och 6B. Fiq. 6A visar det aktuella utseendet hos enheterna, när en brus- eller bullerskärm är anordnad, och fig. 6B visar enheten utan brus- eller buller- skärmen. Det nya friktionshuvudet innefattar två friktions- delar 22 placerade utmed en linje vinkelrät mot pappersbanans maskinriktning. Friktionsdelarna är företrädesvis gjorda av ett hårt legeringsmaterial, t.ex. volframkarbid. Friktions- delarna 22 hålls av en hållare 23.

Referensmikrofonen 21 är placerad mellan de båda friktions- delarna 22 i friktionshuvudet 20. Avståndet D mellan frik- tionsdelarna 22 är mycket mindre än våglängden hos ultra- ljudsvågen inuti banan. Dessutom är dimensionerna hos hos kontaktarean mellan friktionshuvudet 20 och pappersbanan mindre än våglängden hos ultraljudsvägen inuti banan. Sålunda verkar denna slags ultraljudskälla väsentligen på samma sätt som en tvåpunktskälla. Avståndet mellan kontaktareorna och referensmikrofonens plan är jämförbart med våglängden i luft (för f0=40 kHz, Äa/2=4,3 mm).

För att få en god korrelation mellan de signaler, som upp- fångas av referensmikrofonen 21 och mikrofonerna Mic2A och Mic2B placerade vid den roterande cylindern 3, är det nöd- vändigt att referensmikrofonen 21 är placerad så exakt som möjligt vid samma avstånd från kontaktareorna mellan frik- tionsdelarna 22 och banan. För att reducera de utsända vågor 10 15 20 25 30 35 504 575 16 av annat slag än från kontaktarean genom friktionsdelarna och sända genom luften till referensmikrofonen är en brus- eller bullerskärm 24 placerad omkring friktionsdelarna 22 och hålls av deras hållare 23 och är försedd med en öppning avsedd att hålla referensmikrofonen 21 på plats.

Var och en av de båda delarna av friktionshuvudet 22 i fig. 6A och 6B är utformade såsom hemisfärer. Friktionsdelarna av huvudet 22 är gjorda av hård legering och har toppar, som gör kontakt med banan, täckta av ett material, som absorberar ultraljudsvågor, t.ex. mjukt gummi.

Med ny referens till fig. 5A; för att göra en extra skärm för mikrofonerna Mic2A och Mic2B, både beträffande luftburet buller från friktionshuvudet och mot damm från det, är ett antal skärmar 35 anordnade ovanför pappersbanan mellan mikro- fonen 21 och den roterande cylindern 3. Också, såsom vid utföringsformen enligt fig. 2, är en buller- eller brusredu- cerande skärm 36, t.ex. av gummi, placerad omkring mikrofo- nerna Mic2A och Mic2B för att minska bullret från de bullriga omgivningarna.

Skärmen 36 med samma funktion som skärmen 6 i den i fig. 2 visade utföringsformen har företrädesvis formen hos dess undre sida anpassad till formen hos pappersbanan, när denna löper över den roterande cylindern 3, såsom framgår av fig. 5A (liksom från fig. 2).

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

Friktionshuvudet 20, mikrofonerna 21, Mic2A och Mic2B är då placerade i linje med maskinriktningen. Emellertid, såsom nämndes i inledningen till beskrivningen, behövs också drag- i pappersmaskinens tvärriktning, samt i riktningar mellan TSIMD och TSICD, anisotropiförhållandet och dragstyvhetsorienteringen. En utföringsform för att också åstadkomma dessa storheter kommer styvhetsindexet TSICD också för att beräkna nu att beskrivas med hänvisning till fig. 5B och SC, även 10 15 20 25 30 35 504 575 fastän samma egenskap naturligtvis också kan åstadkommas för 17 den i fig. 2 visade utföringsformen.

Såsom framgår av fig. 5B visas flera uppsättningar mikrofoner Mic3A, Mic3B; Mic5A, Mic4B etc. placerade parallellt med varandra och snett mot mikrofonen 21 i förhållande till maskinriktningen (de respektive vinkelriktningarna aN_l, aN etc), så att varje mikrofon Mic3A, Mic4A är placerad tangen- tiellt i samma läge ovanför den roterande cylindern 3 som mikrofonen Mic2A. Fördröjningstiden hos den symmetriska Lamb- våg, som fortplantar sig i den sneda riktningen, aN_1, QN etc., mäts på samma sätt som beskrivits ovan för ultraljuds- Lamb-vågen, som fortplantar sig i maskinriktningen när man medtar i beräkningen den något längre fortplantningsbanan för varje uppsättning.

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

En annan utföringsform, visad i fig. SC, har enbart en upp- fångningsmikrofonuppsättning Mic2A', Mic2B' och flyttar, såsom en enhet, friktionshuvudet 20 och referensmikrofonen 21 tvärs utmed pappersbanan, t.ex. utmed en rak linje Fl paral- lell med linjen Cl, såsom visas, och utvinner fördröjnings- tiden för so-vågen för ett valt antal inställningar av en- heten 20, 21 med olika vinkelpositioner i förhållande till uppfångningsmikrofonuppsättningen. Det är också möjligt att förflytta friktionshuvud/mikrofonuppsättningen 20, 21 utmed en krökt linje F2 (streckad) eller att åstadkomma hastig- hetsmätningar utmed maskinriktningen separat och mätningarna 10 15 20 25 30 35 504 575 i de sneda riktningarna utmed en linje F3 (streckprickad) 18 vinkelrät mot linjen Cl.

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

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

Exempel i vilken en trigonometrisk första ordningens Fourier- serie användes: Vi antar att ultraljudshastigheten hos so-vågen har mätts i tre olika riktningar, och dessa tre olika värden användes för att bestämma konstanterna a0, al och bl. Konstanterna in- sättes sedan i följande formel: f(a)=a0+al*cos2a+b1*sin2a (1) Den uppskattade hastigheten är också beroende av formeln (2): f(x)=k1*x+k2 (2) Konstanterna kl och k2 är kända. En kombination av funktio- (där x=f(a)max/f(a)min) nerna 1 och 2 kommer att ge följande funktion, vilken be- stämmer so-våghastigheten i tvärriktningen (a=90°). v(CD)=f(x)*(a0-al) (3) Genom att ändra konstanterna kl och k2 är det möjligt att få hastigheten i vilken riktning som helst ur formel 4: v(a,max/min)=(k1(a)*x+k2(a))*(a0+a1*cos2a+b1*sin2a) (4).

Ett annat fördelaktigt sätt att utvinna so-vågens hastighet i tvärriktningen ur resultaten från de olika inställnignarna mellan friktionshuvud/referensmikrofon och uppfångningsmikro- fonerna i förhållande till varandra, är att sätta in mätre- sultaten av so-våghastigheterna i ett koordinatsystem med hastigheten i maskinriktningen utmed X-axeln och hastigheten 10 15 20 504 575 i banans tvärriktning utmed Y-axeln i relation till de re- 19 spektive vinkelavvikelserna aN_l, ning till maskinriktningen på det sätt, som visas i fig. 5D.

En kurva dras genom de olika mätresultaten och extrapoleras till att skära Y-axeln för att åstadkomma hastigheten hos so- vågen i pappersbanans tvärriktning. Ett litet extrapolerings- aN etc. hos varje inställ- fel är oundvikligt men minimeras genom att ha en mängd in- ställningar hos friktionshuvud/referensmikrofonen i förhål- lande till uppfångningsmikrofonerna - ju fler dess bättre.

Samma extrapoleringsmetod som visas i fig. 5D kan användas även för de i fig. SC visade utföringsformerna.

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

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 504 575 20 Patentkrav

1. Anordning för ultraljudsmätning av elastiska egenskaper hos en pappersbana i rörelse, innefattande: a. organ (l;20) för att generera en brusig typ av ultraljudsvåg i banan vid en exciteringspunkt; b. referensmottagningsorgan (Mic2,7;21,7) för ultraljud för att icke berörande mottaga ultra- ljudsvågor, som återutsänds från pappersbanan till luften från exciteringspunkten; kännetecknad av att c. minst två mottagningsorgan (Mic2A,8,Mic2B,9) för uppfångning av ultraljud för att icke berörande mottaga den ultraljudsvåg, som genererades av det ultravågsgenererande organet och återutsänds av pappersbanan; d. behandlingsanordning (8-10) för att kombinera ut- signalerna från mottagningsorganen för att uppfånga ultraljud; e. beräkningsanordning (13) för att behandla utsigna- lerna från referensmottagningsorganet och från behandlingsanordningen och bestämma fördröjnings- tiden mellan dessa utsignaler.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att de laterala dimensionerna hos varje ultraljudsindikerande element i alla ultraljudsmottagningsorgan (Mic1,Mic2A,Mic2B) är minst 10 gånger mindre än en våglängd hos ultraljudsvågen i pappers- banan, och alla de ultraljudsindikerande elementen i mottag- ningsorganen är placerade på ett avstånd från pappersbanan, som är mindre än en våglängd hos den ultraljudsvåg, som åter- radieras av pappersbanan till luften.

3. Anordning enligt krav 2, kännetecknad av att avståndet (lm) mellan angränsande ultraljudsindikeringselement för uppfångning, i ett plan parallellt med pappersbanan, är halva våglängden i luft vid mittfrekvensen (fo) hos en bandbredd använd för mätningar. 10 15 20 25 30 35 504 575

4. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att det ultra- ljudsvåggenererande organet (1;20) för ultraljudsignalen och 21 alla de ultraljudsmottagande organen är placerade på ena sidan om pappersbanan.

5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att de mottagande organen för mottagning (Mic2a,Mic2b; Mic2A, Mic2B) är placerade utmed en rak linje, företrädesvis i den i rörelse befintliga pappersbanans maskinriktning, för att erhålla tiden mellan genereringen av den intressanta delen av ultraljudsvågen, dess fortplantning i pappersbanan och åter- utsändningen av samma våg vid upptagningsorganen för att utvinna dragstyvhetsindex (TSIMD) i maskinriktningen.

6. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att enheten med ultraljudsmottagningsorgan (Mic2a,Mic2b; Mic2A,Mic2B; Mic3A,Mic3B etc.) för uppfångning kan orienteras snett i förhållande till referensmottagningsorganet (Micl) vid olika vinklar mot den i rörelse befintliga pappersbanans maskinriktning för att erhålla tiden mellan genereringen av den intressanta delen av ultraljudsvågen, dess fortplantning i pappersbanan och återutsändningen av samma våg vid upp- tagningsorganen för att utvinna dragstyvhetsindex (TSI) i den sneda riktningen.

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad av att resultat från mätningar i olika sneda riktningar kombineras för att utvinna dragstyvhetsindex (TSICD) i pappersmaskinens tvärriktning.

8. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att indikerings- elementen i de för upptagning avsedda ultraljudsmottagnings- organen (Mic2a,Mic2b; Mic2A,Mic2B) är placerade ovanför och nära en roterande cylinder hos papperstillverkningsmaskinen och är förskjutna utmed pappersbanans rörelseriktning till en förbestämd placering (Cl) nedströms om den linje (C2) där den i rörelse befintliga pappersbanan kommer i kontakt med cylin- derytan för första gången. 10 15 20 25 30 35 504 575 22

9. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att en första skärm (35) är placerad mellan det ultraljudsvåggenererande organet och de två uppfångningsmottagningsorganen för att minska amplituden hos en luftburen ultraljudsvåg, som fort- plantar sig från det ultraljudsvåggenererande organet (1;20) till uppfångningsmottagningsorganen (Mic2A,Mic2B).

10. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att åtminstone de ultraljudsindikerande elementen i de för uppfångning avsedda ultraljudsmottagningsorganen (Mic2A, Mic2B) är placerade nära den roterande cylindern (3) och är placerade inom en andra sköld (6;36) mot luftburna ultra- ljudsvågor, t.ex. en cylinder av gummi, vars ytterkant är placerad vid en placering (C1) nedströms utanför den linje (C2), där den i rörelse befintliga pappersbanan kommer i kontakt med cylindern för första gången, och de ultraljudsin- dikerande elementen i upptagningsmottagningsorganen är place- rade nära en inre kant av skärmen.

11. ll. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att beräknings- anordningen (13) bestämmer fördröjningstiden såsom en nollge- nomgång hos en Hilbert-transform av en korskorrelationsfunk- tion mellan utsignalerna från uppfångningsmottagningsorganen och processorn, svarande mot korskorrelationsfunktionens maximivärde.

12. Anordning enligt krav 9, kännetecknad av att ett Hilbert- fönster skapas inom tidsdomänen och förflyttas, en topploka- lisering inom tiden för korskorrelationsfunktionen hittas, och en skarp topp utvinns.

13. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att det ultra- ljudsvåggenererande organet (20) för ultraljudsvågor innefat- tar torrfriktionselement i kontakt med den i rörelse befint- liga pappersbanan, vilkas kontaktdimension är mycket mindre än en våglängd hos den ultraljudsvåg (so) i pappersbanan av intresse att indikera, och att det ultraljudsindikerande elementet (Micl) i referensmottagningsorganet för ultraljud är placerat i nära anslutning till de två friktionskontakt- 504 575 23 areaelementen.