Устройство для измерения максимального натяжения движущегося листового материала Советский патент 1977 года по МПК G01L5/04 

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 приемпик размещен в зоне излучателя ультразвуковых колебаний, а второй - Б зоне первого после излучателя ультразвуковых колебаний врагцающегося ролика.

Ввиду наличия сухого трения между неподвижной рейкой и движущейся лентой в последней генерируется интенсивный щумоподобный 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 повыщается точность и надежность измерения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведена частотная зависимость спектральной плотности мощности 5 (со) щумового сигнала, генерируемого вследствие сухого трения между движущимися бумажным полотном (скорость V 5 м/сек) и неподвижной опорой (диаметр 20 мм); па фиг. 3 представлен график взаимной корреляционной функции, получаемой па 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: а« - натяжение от центробежных сил листа, а - натяжение в ведомой ветви листа, Ки - удельное окружное патяжепие в ведущей ветви листа, а, - натяжепие 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 усредпепной амплитуды UMUKC. принятых сигналов в зоне изгиба от нормированного натяжения изгиба аи, материала.

Устройство включает в себя неподвижную рейку 1 и опорный вращающийся валик 2, которые расположены с нижней стороны листового материала 3 в непосредственном коптакте с ним и разнесены на расстояние /одип от другого. С верхней стороны листового материала 3 па расстояпии h от него в зоне неподвижной рейки 1 установлен первый приемпик 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 параллельпо подключены выходы первого 4 и второго 5 приемников, а выход коррелометра 8 последовательно соедипеп 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 фупкциональпого преобразователя И и детектора уровня 12 подключен выход второго приемника 5.

Устройство работает следующим образом.

При движении листового материала 3 между ним и неподвижной рейкой 1 возпикает сухое трение, вследствие чего в материале генерирзется интенсивный ш)мовой 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 отпосительпо мала, по в зоне изгиба материала, паходящейся у валика 2, она значительно возрастает.

Физически объяснить явление амплитуды излучаемого лептой сигнала над зоной изгиба полотпа можно следующим образом.

Во-первых, полимерные листовые материалы типа бумаги являются пегомогеппыми средами. Поэтому без заметного поглощения через такой материал распространяются только ультразвуковые волны, длина которых больше размеров пегомогенпостей. Это ограничивает диапазон применяемых частот до 1004-150 кГц. Толщина (d) типографской бумаги находится в пределах 0,094-0,11 мм. При этом соотпошение 2(Д 0,0054-0, С1, где К длина возбуждаемых ультразвуковых волн в бумаге. Вследствие этого при выщеуказапном частотном диапазоне в листовом материала могут существовать только две моды воли Лэнба - симметричная 5о и антисимметричная ао. Одпако при фазовая и групповая скорость волны моды UB приближается к пулю. Поэтому в полотне возбуждается только волпа 5о.

Во-вторых, групповая скорость симметричной пулевой моды волны Лэлба SQ приблизительно выра кается

С - 1/ -g f р (1 f)

где р - плотность материала; Y - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга. Натяжение изгиба . - ,Е, где Е - относительное удлинение волокон на выпуклой стороне листа ири изгибе на онорном валике 2; поэтому С 31/ . I/ eip{l-f) 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 повыщается амплитуда излучаемого в окружающую среду сигнала (см. фиг. 5 и фиг. 6). Шумоподобный ультразвзковой сигнал в воздугцной среде принимается двумя конденсаторами микрофонами, полоса пропускания микрофонами 20 Гц-150 кГц. На выходе прпемииков 4 и 5 получают два электрических сигнала, причем на выходе приемника 5 получают сигнал, задержанный относительно сигнала на 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 функцию. Для этого сигнал с первого приемника 4 в коррелометре 8 задерживают относительно сигнала второго приемника 5 на время, при котором получается максимум взаимной корреляционной функции. Тогда время задержки TO (см. фиг. 3) равно времеии распространения ультразвуковых колебаний по листовому материалу 3 на расстояние / между обоими приемпиками. Измеритель 7 временных интервалов запускается одновременно с коррелометром 8 от опорного генератора 6, поэтому на выходе измерителя 7 временных интервалов получают электрический прямоугольный импульс длительностью TQ. Следует отметить, что максимальное натяжение движущегося листового материала где Од. - линейное натяжение, постоянное в плоской части листа, а„, -натяжение в месте изгиба, которое скачком меняется в зоне изгиба листа (см. фиг. 4). Известно, что линейное натяжение ленты сТл. тесно связано со скоростью ультразвуковых колебаний С в данном нолотне: 0л. K,iC, а натяжение изгиба сТи, с коэффициентом линейной корреляции 0,98 связано с максимальной усредненной амплитудой наис. принятых СИГНЭЛОВ В ЗОНе ИЗГИба Оц, - /(. (см. фиг. 4, 5, 6), где /Ci и Kz коэффициенты иропорциональности, определяемые электрическим путем. Из этого следует, что Омане. /ClC2 + .. Поэтому для определения максимального натяжения листового материала амакс. 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 интервал То преобразует в функцию -, эту функцию умножает на величину расстояния I, ре.зультат возводит в квадрат, умнол ает на коэффициент нропорциональности К и исходный результат в виде постоянного наиряжения 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 интегрируются. Второй приемник 5 установлен в зоне изгиба ленты, ноэтому на выходе детектора уровня 12 получают электрический сигнал f/макг. в виде постоянного напряжения, который пропорционален натяжению изгиба аи,. Сигнал 7макс. подается на второй функциональный преобразователь 11, который данный сигнал (t/макс.) умножает на коэффициент пропорциональности /С2 и исходный результат нодает на второй вход блока сложения схемы индикации 9. Окончательный результат сТмакс. + K)Uyyi;c (-1 воспроизводится на табло ММ2 схемы индикации 9 в цифровой форме. Если измерения проводятся на упругих фазовых расстояниях /, 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 повыщает надежность и точность измерения. Известно, что острота максимума корреляционной функции тем больще, чем щире спектр сигнала. Широкий спектр сигнала в данном случае обеспечивается путем генерирования акустического сигнала вследствие сухого трения. При этом повыщается номехоустойчивость по отношению к внешним шумам.

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

Формула изобретения

Устройство для измерения максимального натяжения движ)ш,егося листового материала, содерл ашее излучатель ультразвзковых колебаний, два приемника ультразвуковых колебаний, установленных последовательно в направлении движения материала, и блок

измерения с индикатором, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности измерения, блок измерения содержит опорный генератор, измеритель временных интервалов, коррелометр, электрически связанпые между собой, преобразователь, своим входом соединенный с выходом измерителя временных интервалов, а выходом - с индикатором, детектор уровня, электрически связанный с коррелометром, и второй преобразователь, вход которого связан с детектором уровня, а выход - с индикатором, при этом первый приемник изл)чения 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.

200SOS 1000 2000 SOOO iOOOO 20000 50000 WOOOO f, Гы,

PM2.2

Фиг. 3

нaкc, м S

31WO li

50

150

X,MM

,, и макс, w

0,25

w 6

О,IS

0,5

(