Устройство для измерения максимального натяжения движущегося листового материала

 

О П И С А-И - И - И

ИЗОБРЕТЕН ИЯ п11 552530

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13.11.75 (21) 2189909/12 с присоединением заявки № (51) М. Кл.2 G 01L 5/04

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 532.61(088.8) Опубликовано 30.03.77. Бюллетень № 12

Дата опубликования описания 28.04.77 (72) Авторы изобретения

P.-И. Ю. Кажис, К.-В. Ю. Бернатонис и Ю. К. Стравинскас

Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

МАКСИМАЛЪНОГО НАТЯЖЕНИЯ

ДВИЖУЩЕГОСЯ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА

Государственный комитет 1 23) Приоритет

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и предназначено для контроля качества и определения механических свойств листовых материалов, в частности бумаги, картона, обувного картона и др.

Известно устройство для измерения силы натяжения ленты, которое содержит два направляющих и один отклоняющий ролик, упругий элемент, преобразователь деформаций упругого элемента в электрический сигнал и регистрирующее устройство.

В этом устройстве упругий элемент выполнен в виде двух плоских пластин, между которыми и на их концах закреплены направляющие ролики, а в середине — отклоняющий ролик, снабженный гибкой связью, с головкой, формирующей ленту. При этом упругий элемент находится в непосредственном акустическом контакте с листом, поэтому при движении полотна между упругим элементом и листом существует сухое трение, вследствие чего в полотне генерируется интенсивный шумовой сигнал, иногда по амплитуде значительно превосходящий сигнал преобразователя деформаций и влияющий на точность показаний, Известное также устройство для измерения натяжения ленты, содержащее электроакустический возбудитель механических колебаний ленты, датчик перемещений ленты, измеритель частоты датчика, соединенный с выходом датчика, и цепь положительной обратной связи, соединяющую выход датчика с

5 возбудителем колебаний; датчик перемещений представляет собой пневматический датчик типа «сопло — заслонка» с емкостным преобразователем давления воздуха в электрический сигнал.

10 Существенными недостатками этого устройства являются низкая точность измерения, трудности, возникающие при измерении натяжения ленты, движущейся с большой скоростью, например, в бумажном полотне в

15 процессе изготовления, когда акустический контакт между возбудителем механических колебаний и движущейся лентой не будет постоянным. Кроме того, механические вибрации и биения контактного возбудителя созда20 ют в полотне интенсивные акустические колебания в широкой полосе частот, не позволяющие измерять натяжение листа уже при скорости последнего 0,2 — 0,5 м/сек.

Целью изобретения является повышение

25 точности измерений максимального натяжения движущегося листового материала.

Поставленная цель достигается тем, что в представленном устройстве для измерения максимального натяжения движущегося ли30 стового материала, содержащем излучатель

552530 ультразвуковых колебаний, два приемника ультразвуковых колебаний, установленных последовательно в направлении движения материала, и блок измерения с индикатором, блок измерения содержит опорный генератор, измеритель временных интервалов, коррелометр, электрически связанные между собой, преобразователь, своим входом соединенный с выходом измерителя временных интервалов, а выходом — с индикатором, детектор уровня, электрически связанный с корректором и второй преобразователь, вход которого связан с детектором уровня, а выход с индикатором, при этом первый приемник излучения ультразвуковых колебаний связан с коррелометром, а второй — соединен с детектором уровня и с коррелометром, причем первый приемник размещен в зоне излучателя ультразвуковых колебаний, а второй — в зоне первого после излучателя ультразвуковых колебаний вращающегося ролика.

Ввиду наличия сухого трения между неподвижной рейкой и движущейся лентой в последней генерируется интенсивный шумоподобный сигнал в широкой полосе частот, и этот сигнал используется для зондирования материала, поэтому передающая часть устройства весьма упрощается. Кроме того, прием ультразвуковых колебаний осуществляют путем бесконтактного снятия сигнала, в связи с этим значительно повышается точность и надежность измерения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведена частотная зависимость спектральной плотности мощности 5(о) шумового сигнала, генерируемого вследствие сухого трения между движущимися бумажным полотном (скорость

V 5 м/сек) и неподвижной опорой (диаметр

20 мм); на фиг. 3 представлен график взаимной корреляционной функции, получаемой на выходе коррелометра, при этом выходы первого и второго приемников подключены соответственно к первому и второму входам коррелометра; на фиг. 4 представлено распределение натяжения по длине в движущемся листе, где: o — натяжение от центробежных сил листа, о — натяжение в ведомой ветви листа, К вЂ” удельное окружное натяжение в ведущей ветви листа, о „, — натяжение изгиба, возникающее при огибании валов; на фиг. 5 представлена экспериментальная зависимость усредненной амплитуды шумового сигнала, излучаемого движущимся бумажным листом на расстоянии от неподвижной рейки до опорного валика; на фиг. 6 приведена зависимость максимальной и усредненной амплитуды У,н . принятых сигналов в зоне изгиба от нормированного натяжения изгиба o >, материала.

Устройство включает в себя неподвижную рейку 1 и опорный вращающийся валик 2, которые расположены с нижней стороны листового материала 3 в непосредственномкон5

65 такте с ним и разнесены на расстояние 1один от другого, С верхней стороны листового материала 3 на расстоянии h от него в зоне неподвижной рейки 1 установлен первый приемник 4 и в зоне валика 2 установлен второй приемник 5.

Схема измерения содержит: опорный генератор 6, выход которого параллельно подключен к входам измерителя 7 временных интервалов и коррелометра 8, к входам последнего параллельно подключены выходы первого 4 и второго 5 приемников, а выход коррелометра 8 последовательно соединен с входом измерителя 7 временных интервалов; схему индикации 9, к первому входу которой посредством первого функционального преобразователя 10 подключен выход измерителя

7 временных интервалов, а ко второму входу посредством второго функционального преобразователя 11 и детектора уровня 12 подключен выход второго приемника 5.

Устройство работает следующим образом.

При движении листового материала 3 между ним и неподвижной рейкой 1 возникает сухое трение, вследствие чего в материале генерируется интенсивный шумовой сигнал в. широком диапазоне частот (см. фиг. 2). Этот сигнал распространяется по плоскости листа и частично излучается в воздух. В плоской части листа амплитуда излучаемых колебаний относительно мала, но в зоне изгиба материала, находящейся у валика 2, она значительно возрастает.

Физически объяснить явление амплитуды излучаемого лентой сигнала над зоной изгиба полотна можно следующим образом.

Во-первых, полимерные листовые материалы типа бумаги являются негомогенными средами. Поэтому без замстного поглощения через такой материал распространяются только ультразвуковые волны, длина которых больше размеров негомогенностей. Это ограничивает диапазон применяемых частот до 100 —:150 кГц. Толщина (d) типографской бумаги находится в пределах 0,09 —:0,11 мм.

При этом соотношение 2d/1=0,005 —:0,00б7«

«1, где Х длина возбуждаемых ультразвуковых волн в бумаге. Вследствие этого при вышеуказанном частотном диапазоне в листовом материала могут существовать только две моды волн Лэпба — симметричная So u антисимметричная а . Однако при 2d/1<<1 фазовая и групповая скорость волны моды а приближается к нулю. Поэтому в полотне возбуждается только волна S>.

Во-вторых, групповая скорость симметричной нулевой моды волны Лэнба Sp приблизительно выражается

С где р — плотность материала; у — коэффициент Пуассона;

Š— — модуль Юнга, 552530

Натяжение изгиба а а,Е, Ii макс — - л

65 где cl — относительное удликепие волокон на выпуклой стороне листа при изгибе на опорном валике 2; поэтому

С=1

=1)

В зоне изгиба получается скачок натяжения листа (см. фиг. 4), вследствие этого скорость ультразвука в зоне изгиба листового материала меняется скачкообразно. Поэтому в этой зоне скачком меняется акустическое сопротивление листа, что вызывает частотное отражение акустической волны от зоны изгиба. В результате этого увеличивается нормальная составляющая колебательного смещения листа и следовательно повышается амплитуда излучаемого в окружающую среду сигнала (см. фиг. 5 и фнг. 6).

Шумоподобпый ультразвуковой сигнал в воздтшпой сосде Ilрикимастся двумя конденI саторами микрофонами„полоса пропускания микрофонами 20 Гц — . 150 кГц.

На выходе приемников 4 и 5 получают два электрических сигнала, причем на выходе приемника 5 получают сигнал, задержанный относительно сигнала па выходе первого приемника 4 за временной интервал, равный времени распространения акустических колебаний по листовому материалу в продольном направлении между обоими приемниками.

По принятым сигналам вычисляют взаимную корреляционную функци о. Для этого сигнал с первого приемника 4 в коррелометре 8 задер>кивают относительно сигнала второго приемника 5 на время, при котором получается максимум взаимной корреляционной функции. Тогда время задержки то (см. фиг. 3) равно времени распространения ультразвуковых колсбакий по листовому материалу 3 на расстояние l между обоими приемниками.

Измерит"". 7 временных интервалов запускается одновремен,о с коррелометром 8 от опорного гснсратора 6, поэтому на выходе измерител:I 7 временных интервалов получают электрический прямоугольный импульс длительностью то.

Следует отметить, что максимальное натяжение движущегося листового материала где а.„. — линейное натяжение, постоянное в

ПЛОСКОЙ Чаетн ЛИСта, Ол, — НатЯжЕНИЕ В МЕсте изгиба, которое скачком меняется в зоне изгиба листа (см. фиг. 4).

Известно, что линейное натяжение ленты

o,„òåñío связано со скоростью ультразвуковых колеоаний С в данном полотне: О.„=

= К1 C, а натяжение изгиба o,„ñ коэффициентом линейной корреляции 0,98 связано с максимальной усредненной амплитудой 7мамс. ПРИНЯТЫХ СИГНалов В ЗОНЕ ИЗГИба gg, -=

6

= К У„а„(см, фиг. 4, 5, б), где К1 и К2 коэффициенты пропорциональности, определяемые электрическим путем. Из этого следует, / 2 гс что Омакс. — Kl i К2 7мамс..

Поэто лу для определения максимального натяжения листового материала О„а,;,, необходимо измерить скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале, по которой определяют линейное натяжение, добавить натяжение в месте изгиба, которое определяют по максимальной усредненной амплитуде излучаемых листовым материалом колебаний в зоне его изгиба. Для этого прямоугольный электрический сигнал длительностью то с выхода измерителя 7 временных интервалов подают на вход первого функционального преобразователя 10.

Функциональный преобразователь 10 выполняет следующие функции: временной ин1 тервал то преобразует в функцию —, эту

=o функцию умножает на величину расстояния

1 результат C= — возводит в квадрат, умт ножает на коэффициент пропорциональности

К и исходный результат К1С в виде постоянного напряжекпя подает на первый вход блока сложения схемы индикации 9. Одновременно электрические сигналы с выхода второго приемника 5 подают на вход детектора уровня 12, в котором эти сигналы детектируются и интегриру>отся. Второй приемник

5 установлен в зоне изгиба ленты, поэтому на выходе детектора уоовня 12 получают

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГкаЛ Uìà ;с В ВИДЕ ПОСТОЯН ного напря>кения, который пропорционален натяжению изгиба îи,. Сигнал U„,. подается на второй функциональный преобразователь 11, который данный сигнал (U„амс ) умножает на коэффициент пропорциональности К и исходный результат подает на вто1>ой вход блока сложения схемы индикации 9.

ОКОНЧатЕЛЬНЫй рЕЗуЛЬтат Омамс =KIC2+

+ К43,,а, „(— воспроизводится на табло

1мма схемы индикации 9 в цифровой форме.

Если измерения проводятся на упругих фазовых расстояниях I, это учитывается при калибровке умножителя первого функционального преобразователя 10.

Предлагаемое устройство обеспечивает непрерывное измерение максимального натяжения листового материала и позволяет точно определить место максимального натяжения путем прозвучивания листа шумовым сигналом. Применение бесконтактных приемников значительно повышает надежность и точность измерения.

Известно, что острота максимума корреляционной функции тем больше, чем шире спектр сигнала. Широкий спектр сигнала в данном случае обеспечивается путем генерирования акустического сигнала вследствие сухого трения. При этом повышается поме552530

Фиг.1 хоустойчивость по отношению к внешним шумам.

Испытания показали надежность и большую точность устройства при измерении максимального натяжения листового материала, движущегося со скоростью до 20 м/с. Поэтому применение предлагаемого устройства создает возможность контролировать максимальное натяжение материала на ведущих валах в процессе его использования, что значительно сокращает время испытания и регулирования технологического оборудования.

Формула изобретения

Устройство для измерения максимального натяжения движущегося листового материала, содержащее излучатель ультразвуковых колебаний, два приемника ультразвуковых колебаний, установленных последовательно в направлении движения материала, и блок измерения с индикатором, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения, блок измерения содержит опорный генератор, измеритель временных интерва5 лов, коррелометр, электрически связанные между собой, преобразователь, своим входом соединенный с выходом измерителя временных интервалов, а выходом — с индикатором, детектор уровня, электрически связанIO ный с коррелометром, и второй преобразователь, вход которого связан с детектором уровня, а выход — с индикатором, при этом первый приемник излучения ультразвуковых колебаний связан с коррелометром, а вто15 рой — соединен с детектором уровня и скоррелометром, причем первый приемник размещен в зоне излучателя ультразвуковых колебаний, а второй — в зоне первого после излучателя ультразвуковых колебаний враща20 ющегося ролика, 552530 й),Ф

1О0

85 децибелы относительно е порогоВого уроВня 17,2 10 „, „, 65

200 500 1000 2000 5000 10000 20000 50000 100000 f Гм фиг.2

Фиг. 8

552530

Омакс, ма

500 00

Зоо

ZO0

/00

1>0 б., 0,7Х

0,25

Фиг.б

Составитель В. Жданов

Техред А. Камышникова

Корректор Л. Ко1ова

Редактор Н. Хубларова

Заказ 682/17 Изд. М 311 Тираж 1054 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2