ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАСТРОЙКИ И ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК D21F7/06 G01N21/89 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажному производству и может быть использовано для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин.

Как известно, степень постоянства толщины и однородности структуры по площади бумажного полотна, в частности степень равномерности распределения волокон, является важнейшей характеристикой качества бумаги. Указанную неоднородность можно наблюдать визуально, рассматривая образец бумаги в проходящем свете. В этом случае используют термин "просвет бумаги". В общем случае речь идет о характере неравномерности оптической плотности по площади бумажного полотна, толщина и оптический спектр пропускания которого могут лежать за пределами возможностей визуальной оценки.

Оптическая плотностная неравномерность бумажного полотна обуславливается целым рядом факторов, связанных, как с характеристикой бумажной массы, так и с настройкой, и параметрами технического состояния бумагоделательной машины. К таким факторам можно отнести, например:

- степень и характер помола волокнистой массы,

- постоянство концентрации бумажной массы, поступающей на сетку бумагоделательной машины,

- вариация скорости поступления массы на сетку относительно скорости самой сетки,

- нарушение геометрических параметров и характера движения валов бумагоделательной машины.

Таким образом, среднестатистические параметры, соответствующие пространственно-временному распределению неравномерности оптической плотности по площади движущегося бумажного полотна отражают не только его качество, но и содержат скрытую информацию о действии влияющих технологических факторов. Использование известных методов технической диагностики позволяет выявить, а также исключить или оптимизировать за счет настройки бумагоделательной машины действие указанных влияющих факторов, повысив, тем самым, качество изготавливаемой бумаги.

Применение оптико-электронных методов позволяет осуществлять фотометрирование бумаги с целью количественной оценки ее неоднородности как показателя качества бумаги, являющегося результатом совокупного действия всех технологических компонентов производственного процесса.

Известно устройство для определения структурной неоднородности движущегося бумажного полотна (см. описание изобретения к авт. св. СССР №896132, кл. D 21 F 7/06, опубл. в 1982 г.), содержащее измеритель скорости движения полотна, датчик неоднородности бумажного полотна, включающий источник и приемник оптического излучения, анализатор сигнала с приемника, состоящий из последовательно соединенных фильтра стационарной составляющей случайного сигнала неоднородности бумажного полотна, блока выделения автокорреляционной функции этой составляющей, блока получения интервала корреляции автокорреляционной функции и блока умножения.

К недостатку известного устройства относится то, что установленная в нем оптическая система не обеспечивает достоверность получаемой информации о структурной неоднородности движущегося бумажного полотна. Это вызвано тем, что использование источника с постоянной интенсивностью не позволяет исключить влияния на информационный сигнал посторонних (внешних) фоновых засветок.

Использование источника излучения с широким спектральным диапазоном приводит к тому, что одновременно со структурой бумаги (ее плотностной неравномерностью) анализируется и распределение влаги, содержащейся в анализируемом материале бумаги, так как спектр источника излучения включает в себя спектральные области поглощения воды.

Другим недостатком аналога является влияние существенной погрешности, вызванной колебаниями положения поверхности движущегося бумажного полотна, что связано с изменением расстояния между фотоприемником и поверхностью бумажного полотна в зоне его сканирования.

Известно также устройство для непрерывного контроля структурных свойств движущегося полотна бумаги (см. описание изобретения к авт. св. СССР №195868, кл. D 21 f, опубл. в 1967 г.), которое выбрано в качестве прототипа к заявляемому изобретению.

Известное устройство содержит осветитель (источник излучения в виде лампы накаливания) с фокусирующей оптической системой, фотоэлемент (фотоприемник), предварительный усилитель, механизм перемещения фотоэлемента и осветителя, усилитель, выпрямитель с ограничителем, самописец, блок управления, частотный анализатор, выполненный в виде узкополосного фильтра с переменной настройкой частоты, привод диаграммной ленты, привод настройки частот анализатора, держатель.

Известное устройство обладает теми же недостатками, что и аналог. Кроме того, использование в осветителе известного устройства микрообъектива не допускает колебаний положения плоскости бумажного полотна. Это вызвано значительной угловой апертурой микрообъектива, не позволяющей получить необходимую глубину резкости изображения диафрагмы и, как следствие, его недопустимую расфокусировку при колебаниях положения поверхности бумажного полотна. Следствием данного обстоятельства являются случайные и значительные изменения размера светового пятна сканирования в процессе измерений, определяющим образом влияющие на достоверности измерительной информации.

В предлагаемом изобретении решается задача повышения достоверности получаемой измерительной информации, обеспечения адресной диагностики бумагоделательных машин, а также расширения функциональных возможностей системы за счет программных средств используемого в ней компьютерного анализа сигнала и соответствующей формы представления результатов измерений.

Для достижения технического результата в первом варианте в оптико-электронной системе для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин, содержащей источник излучения с фокусирующей оптической системой, образующие узел осветителя, фотоприемник, предварительный усилитель, механизм перемещения и держатель, согласно изобретению в качестве источника излучения использован светодиод или полупроводниковый лазер, питание которых осуществлено от генератора тока несущей частоты, обеспечивающего соответствующую модуляцию их излучения, система снабжена фотоприемным устройством, которое содержит последовательно расположенные по ходу лучей на одной оптической оси с узлом осветителя светофильтр и конденсор с находящимся в его фокальной плоскости упомянутым фотоприемником, к выходу фотоприемника подключен предварительный усилитель, выход которого соединен с сигнальным входом цифрового потенциометра, последовательно соединенным через полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор и фильтр нижних частот с нормирующим усилителем, выход которого подключен к аналоговому входу контроллера, а также ко входу аналого-цифрового преобразователя, при этом выход контроллера соединен с управляющим входом цифрового потенциометра, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен через интерфейс к персональному компьютеру, причем диаметр входного зрачка конденсора выбран из соотношения:

где D - диаметр входного зрачка конденсора,

L_max - максимально допустимое расстояние бумажного полотна от входного зрачка конденсора,

f' - фокусное расстояние конденсора,

d - диаметр фоточувствительной поверхности фотоприемника,

с' - наибольший размер пятна сканирования бумажного полотна.

Для достижения технического результата во втором варианте в оптико-электронной системе для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин, содержащей источник излучения с фокусирующей оптической системой, образующие узел осветителя, фотоприемник, предварительный усилитель, механизм перемещения и держатель, согласно изобретению в качестве источника излучения использован светодиод или полупроводниковый лазер, питание которых осуществлено от генератора тока несущей частоты, обеспечивающего соответствующую модуляцию их излучения, система снабжена фотоприемным устройством, которое содержит последовательно расположенные по ходу лучей на одной оптической оси с узлом осветителя светофильтр и конденсор с находящимся в его фокальной плоскости упомянутым фотоприемником, к выходу фотоприемника подключен предварительный усилитель, выход которого соединен с сигнальным входом цифрового потенциометра, последовательно соединенным через полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор и фильтр нижних частот с нормирующим усилителем, выход которого подключен к аналоговому входу контроллера, а также ко входу аналогового дифференциального драйвера линии, при этом выход контроллера соединен с управляющим входом цифрового потенциометра, а выход аналогового дифференциального драйвера линии через дифференциальный приемник линии подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен через интерфейс к персональному компьютеру, причем диаметр входного зрачка конденсора выбран из соотношения:

где D - диаметр входного зрачка конденсора,

L_max - максимально допустимое расстояние бумажного полотна от входного зрачка конденсора,

f - фокусное расстояние конденсора,

d - диаметр фоточувствительной поверхности фотоприемника,

с' - наибольший размер пятна сканирования бумажного полотна.

Известные аналоги ориентированы, в основном, на оценку качества образцов бумаги и не исследуют изменение плотностной структуры бумажного полотна в процессе его изготовления в сопоставлении ее с параметрами машины. По сравнению с аналогами предлагаемая система формирует измерительную информацию, достоверно отражающую параметры плотностной структуры бумажного полотна (пространственно-временной спектр плотностной неравномерности бумажного полотна, среднеквадратичное отклонение этой неравномерности и др.), и позволяет в полной мере использовать эту информацию для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин, а также для оценки качества производимой бумаги.

Так использование в предлагаемом изобретении специально выполненных оптических схем излучающего и фотоприемного устройств позволяет исключить влияние на точность измерений колебаний положения поверхности бумажного полотна. Это техническое решение поясним следующим образом.

При фотометрировании движущегося бумажного полотна на поверхность последнего с помощью осветителя направляют узконаправленный пучок лучей, энергетическая ось которого перпендикулярна этой поверхности. Тем самым на указанной поверхности формируется пятно сканирования заданного размера с'. Параметры объектива осветителя могут быть выбраны таким образом, чтобы при колебаниях плоскости бумажного полотна размер с' изменялся незначительно, то есть поверхность бумажного полотна постоянно находилась бы в пределах зоны глубины резкости изображения излучателя. Например, объектив может быть выполнен в виде аксикона [см. Б.Н.Бегунов и др. Теория оптических систем. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1981, стр.88], который изображает точку пространства предметов объектива в осевую линию заданной длины в пространстве изображений. При использовании в качестве излучателя полупроводникового лазера рассматриваемая зона глубины резкости пучка лучей, освещающих бумажное полотно (зона перетяжки лазерного луча), может достигать нескольких сантиметров. С противоположной стороны бумажного полотна зона пятна сканирования может рассматриваться как вторичный излучатель. Однако в силу диффузно рассеивающего свойства бумаги [см. Дубовик А.С., и др. Прикладная оптика. Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1982, стр.140] излучение вторичного излучателя оказывается распределенным в полусфере, то есть в телесном угле 2π стерадиан. Вследствие этого, из-за колебаний бумажного полотна, изменяющих расстояние от расссматриваемого вторичного излучателя, сигнал с фотоприемника будет также изменяться обратно пропорционально квадрату указанного расстояния. Таким образом будет формироваться ложная составляющая сигнала фотоприемника, которая, вследствие случайного характера колебаний положения движущегося бумажного полотна не может быть отфильтрована. Для исключения указанной погрешности в лабораторных образцах приборов, исследующих структуру бумаги с помощью оптико-электронных методов, образец бумажного полотна зажимают между двумя стеклянными дисками, вращающимися с постоянной скоростью, как это отражено в патенте РФ №1794247, кл. G 01 N 21/89, опубл в 1993 г.

Очевидно, что в случае движущегося бумажного полотна данный прием оказывается неприемлемым.

В настоящем изобретении предлагается следующее техническое решение, исключающее влияние колебаний бумажного полотна на точность измерений. Оптическая часть фотоприемного устройства (фиг.3) выполняется в виде конденсора с установленным в его фокальной плоскости фотоприемником (фотодиодом), причем диаметр входного зрачка конденсора D, диаметр d фоточувствительной поверхности фотоприемника, размер с' пятна сканирования и фокусное расстояние f' конденсора связаны с максимально допустимым расстоянием L_max бумажного полотна от входного зрачка конденсора соотношением

Минимальное расстояние L_min выбирается из конструктивных соображений таким образом, чтобы диапазон возможных колебаний плоскости бумажного полотна лежал в пределах от L_min до L_max, а плоскость фокусировки объектива излучателя располагают на расстоянии . Угол поля зрения фотоприемного устройства (ФПУ) определяет направление лучей, попадающих на входной зрачок конденсора и воспринимаемых фотоприемником. То есть лучи, составляющие с визирной осью ФПУ (визирная ось [см. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982, стр.21-22] проходят через центр фотоприемной площадки и узловую точку А конденсора (см. фиг.3). Углы, большие чем β, не попадают на фотоприемник. При указанном выборе параметров ФПУ (см. формулу (1)) колебания бумажного полотна в пределах L∈(L_min, L_max), то есть от L_min до L_max, будут приводить лишь к изменению эффективного диаметра входного зрачка конденсора

При этом из всего телесного угла, равного 2π стерадиан, излучения вторичного источника будет всегда вырезаться и использоваться лишь поток излучения, который формируют лучи, составляющие с визирной осью ФПУ углы от 0 до β, и образующие телесный угол ω=2π·(1-cosβ), соответствующий плоскому углу β.

Выбор диаметра входного зрачка конденсора

удовлетворяющего формуле (1), при постоянном значении коэффициента пропускания бумажного полотна и изменении значения расстояния L от L_min до L_max обеспечивает постоянство потока излучения, падающего на фотоприемную площадку и соответственно неизменность уровня сигнала фотопремника. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет исключить ложную составляющую сигнала фотоприемника, обусловленную возможным колебанием положения плоскости движущегося бумажного полотна.

Для исключения влияния на точность измерений посторонних засветок в качестве источника излучения в предлагаемом изобретении используется светодиод или полупроводниковый лазер, излучение которого модулируется током питания с частотой, используемой в качестве несущей частоты информационного сигнала.

Используемые источники излучения имеют узкую спектральную полосу излучения, и их можно рассматривать как источники монохроматического излучения. Это обстоятельство позволяет выбрать длину волны излучения, соответствующую спектральному окну прозрачности воды. Тем самым, исключается влияние на точность измерений неравномерности влагосодержания бумаги и анализируются только ее структурные свойства и изменение толщины.

Кроме того, для спектральной селекции сигнала в оптический канал введен светофильтр, спектральное окно коэффициента пропускания которого соответствует длине волны используемого источника излучения.

Метод выделения и обработки сигнала измерительной информации в предлагаемой системе по сравнению с прототипом основан на аналого-цифровой обработке с окончательным компьютерным анализом в реальном масштабе времени, что существенно расширяет функциональные возможности системы в плане одновременного вычисления целого ряда диагностических параметров, таких как пространственно-временной спектр сигнала, его среднеквадратическое значение и другие.

В результате этого можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение обеспечивает технический результат, выражающийся в повышении достоверности получаемой измерительной информации, обеспечении адресной диагностики бумагоделательных машин, а также расширении функциональных возможностей системы за счет программных средств используемого в ней компьютерного анализа сигнала и формы представления результатов измерений.

Изобретение является новым, так как из уровня техники по доступным источникам информации не выявлено аналогичных технических решений с подобной совокупностью отличительных признаков.

Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин в целлюлозно-бумажном производстве.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - представлена структурная схема заявляемой оптико-электронной системы для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин (вариант 1);

на фиг.2 - структурная схема заявляемой оптико-электронной системы для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин (вариант 2);

на фиг.3 - схема, поясняющая выбор параметров оптической части фотоприемного устройства.

Оптико-электронная система для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин (фиг.1) содержит узел осветителя 1, включающий источник излучения 2 и фокусирующую оптическую систему 3. Питание источника излучения 2, в качестве которого использован светодиод или полупроводниковый лазер, осуществлено от генератора тока несущей частоты 4. Система содержит фотоприемное устройство 5, включающее последовательно расположенные по ходу лучей на одной оптической оси с узлом осветителя 1 светофильтр 6 и конденсор 7 с находящимся в его фокальной плоскости фотоприемником 8. Выход фотоприемника 8 подключен к входу предварительного усилителя 9, выход которого соединен с сигнальным входом цифрового потенциометра 10, последовательно соединенным через полосовой фильтр 11, усилитель 12, амплитудный детектор 13 и фильтр нижних частот 14 с нормирующим усилителем 15, выход которого подключен к аналоговому входу контроллера 16, а также ко входу аналого-цифрового преобразователя 17, при этом выход контроллера 16 соединен с управляющим входом цифрового потенциометра 10, выход аналого-цифрового преобразователя 17 подключен через интерфейс 18 к персональному компьютеру 19. Система включает также держатель 20, предназначенный для крепления узла осветителя 1 и фотоприемного устройства 5, и механизм перемещения 21. Позицией 22 обозначено бумажное полотно.

Оптико-электронная система для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин (фиг.2) содержит узел осветителя 1, включающий источник излучения 2 и фокусирующую оптическую систему 3. Питание источника излучения 2, в качестве которого использован светодиод или полупроводниковый лазер, осуществлено от генератора тока несущей частоты 4. Система содержит фотоприемное устройство 5, включающее последовательно расположенные по ходу лучей на одной оптической оси с узлом осветителя 1 светофильтр 6 и конденсор 7 с находящимся в его фокальной плоскости фотоприемником 8. Выход фотоприемника 8 подключен к входу предварительного усилителя 9, выход которого соединен с сигнальным входом цифрового потенциометра 10, последовательно соединенным через полосовой фильтр 11, усилитель 12, амплитудный детектор 13 и фильтр нижних частот 14 с нормирующим усилителем 15, выход которого подключен к аналоговому входу контроллера 16, выход последнего соединен с управляющим входом цифрового потенциометра 10. Система (Фиг.2) содержит также аналого-цифровой преобразователь 17, интерфейс 18, персональный компьютер 19, держатель 20, механизм перемещения 21, аналоговый дифференциальный драйвер линии 23 и дифференциальный приемник 24, при этом выход нормирующего усилителя 15 подключен также ко входу аналогового дифференциального драйвера линии 23, выход которого через дифференциальный приемник линии 24 подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя 17. Выход аналого-цифрового преобразователя 17 подключен через интерфейс 18 к персональному компьютеру 19. Позицией 22 обозначено бумажное полотно.

Контроллер 16 может быть выполнен, например, на микросхеме типа PIC12F630.

Система работает следующим образом.

Сигнал с фотоприемника 8 поступает после усиления предварительным усилителем 9 на сигнальный вход цифрового потенциометра 10, к управляющему входу которого подключен контроллер 16. Цифровой потенциометр 10 обеспечивает задаваемый контроллером 16 коэффициент усиления электронного тракта. С выхода цифрового потенциометра 10 сигнал поступает на полосовой фильтр 11, обеспечивающий формирование частотной характеристики тракта с выделением полезного сигнала на несущей частоте. Затем сигнал подается на усилитель 12, после чего поступает на амплитудный детектор 13, который выделяет огибающую модулированного сигнала. Далее сигнал поступает на фильтр нижних частот 14, частота среза которого соответствует максимальной частоте полезного сигнала. После фильтра нижних частот 14 сигнал поступает на нормирующий усилитель 15, обеспечивающий получение сигнала, изменяющегося в полном диапазоне напряжений источника питания, в качестве которого использован генератор тока несущей частоты 4. С выхода нормирующего усилителя 15 сигнал поступает на аналоговый вход контроллера 16, который при включении питания системы и наличии бумажного полотна 22 начинает управлять цифровым потенциометром 10 таким образом, чтобы напряжение на выходе нормирующего усилителя 15 было равно половине напряжения питания, после чего достигнутое положение сохраняется на весь сеанс работы с этим бумажным полотном 22. С выхода нормирующего усилителя 15 сигнал поступает также на вход аналого-цифрового преобразователя 17, с выхода которого через интерфейс 18 он передается на вход персонального компьютера 19.

Для обеспечения высокой скорости передачи информации целесообразно использовать USB-вход компьютера и соответствующий интерфейс.

Специальное программное обеспечение позволяет в этом случае практически в реальном времени вычислять и графически представлять как сам измерительный сигнал, амплитуда которого пропорциональна плотностной неравномерности бумажного полотна, так и его статистические параметры, приведенные к требуемой размерности, например пространственно-временной спектр и др., увязываемые известными диагностическими процедурами с параметрами настройки бумагоделательной машины.

Однако в этом случае длина кабеля, соединяющего компьютер с оптико-электронной частью системы, ограничена величиной около 1,5 м.

В том случае, когда персональный компьютер 19 находится на удаленном расстоянии от бумагоделательной машины, сигнал с выхода нормирующего усилителя 15 подается на аналоговый дифференциальный драйвер линии 23, выполняющий функцию преобразования сигнала из униполярной формы в дифференциальную, что необходимо для улучшения помехозащищенности системы. Далее сигнал поступает на дифференциальный приемник линии 24, восстанавливающий дифференциальный сигнал, приводя его к униполярной форме. После этого сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь 17 и через интерфейс 18 передается на вход персонального компьютера 19.

Таким образом, заявляемая оптико-электронная система для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин позволяет повысить достоверность измерительной информации и обеспечить на основе анализа этой информации возможность оптимальной настройки и адресной диагностики бумагоделательной машины.

Изобретение относится к целлюлозно-бумажному производству и может быть использовано для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин. В оптико-электронной системе для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин в качестве источника излучения использован светодиод или полупроводниковый лазер, система снабжена генератором тока несущей частоты, фотоприемным устройством, предварительным усилителем, цифровым потенциометром, полосовым фильтром, усилителем, амплитудным детектором, фильтром нижних частот, нормирующим усилителем, контроллером, аналого-цифровым преобразователем, интерфейсом и персональным компьютером. Во втором варианте в оптико-электронной системе для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин в качестве источника излучения использован светодиод или полупроводниковый лазер, система снабжена генератором тока несущей частоты, фотоприемным устройством, предварительным усилителем, цифровым потенциометром, полосовым фильтром, усилителем, амплитудным детектором, фильтром нижних частот, нормирующим усилителем, аналоговым дифференциальным драйвером линии, дифференциальным приемником, контроллером, аналого-цифровым преобразователем, интерфейсом и персональным компьютером. Обеспечивается повышение достоверности получаемой измерительной информации, адресная диагностика бумагоделательных машин и расширение функциональных возможностей системы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптико-электронная система для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин, содержащая источник излучения с фокусирующей оптической системой, образующие узел осветителя, фотоприемник, предварительный усилитель, механизм перемещения и держатель, отличающаяся тем, что в качестве источника излучения использован светодиод или полупроводниковый лазер, питание которых осуществлено от генератора тока несущей частоты, обеспечивающего соответствующую модуляцию их излучения, система снабжена фотоприемным устройством, которое содержит последовательно расположенные по ходу лучей на одной оптической оси с узлом осветителя светофильтр и конденсор с находящимся в его фокальной плоскости упомянутым фотоприемником, к выходу фотоприемника подключен предварительный усилитель, выход которого соединен с сигнальным входом цифрового потенциометра, последовательно соединенным через полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор и фильтр нижних частот с нормирующим усилителем, выход которого подключен к аналоговому входу контроллера, а также ко входу аналого-цифрового преобразователя, при этом выход контроллера соединен с управляющим входом цифрового потенциометра, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен через интерфейс к персональному компьютеру.2. Оптико-электронная система для настройки и диагностики технического состояния бумагоделательных машин по п.1, отличающаяся тем, что диаметр входного зрачка конденсора выбран из соотношения

где D - диаметр входного зрачка конденсора;

L_max - максимально допустимое расстояние бумажного полотна от входного зрачка конденсора;

f' - фокусное расстояние конденсора;

d - диаметр фоточувствительной поверхности фотоприемника;

с' - наибольший размер пятна сканирования бумажного полотна.

где D - диаметр входного зрачка конденсора;

L_max - максимально допустимое расстояние бумажного полотна от входного зрачка конденсора;

f' - фокусное расстояние конденсора;

d - диаметр фоточувствительной поверхности фотоприемника;

с' - наибольший размер пятна сканирования бумажного полотна.