DE19500822C1 - Ultraschall-Kantenfühler zur Erfassung der Bahnkante einer Warenbahn - Google Patents
Ultraschall-Kantenfühler zur Erfassung der Bahnkante einer WarenbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Kantenfühler zur
Erfassung der Kantenlage einer Warenbahn, mit mindestens
zwei Ultraschallsensoren aus jeweils einem Sensorsender,
der kurze Ultraschallwellenimpulse ausstrahlt, und einem
Sensorempfänger, der die Ultraschallwellenimpulse
aufnimmt, wobei jedem Sensor ein eigenes, von den
Ultraschallwellenimpulsen auf ihrem Weg vom Sensorsender
zum Sensorempfänger durchlaufenes Meßfeld zugeordnet ist
und der Sensorempfänger aus den aufgenommenen
Ultraschallwellenimpulsen jeweils ein vom Grad der
Abdeckung seines Meßfelds durch die Warenbahn abhängendes
elektrisches Sensorsignal bildet, und wobei eine
Schalteinrichtung vorgesehen ist, die den Sensorsender und
den Sensorempfänger jeweils nur eines der Sensoren
einschaltet und zur Umschaltung zwischen den Sensoren
steuerbar ist, ferner mit einem aus dem Sensorsignal des
jeweils eingeschalteten Sensors ein digitales
Empfangssignal bildenden Signalwandler, und mit einem
Rechenwerk, das aus dem Empfangssignal ein der Kantenlage
der Warenbahn zugeordnetes Fühlerausgangssignal berechnet,
das zur Steuerung einer Bahnführungseinrichtung geeignet
ist.
Derartige Kantenfühler dienen der berührungsfreien
Erfassung der Kantenlage einer Warenbahn und sind
besonders in Fällen geeignet, in denen die Warenbahn eine
hohe optische Transparenz oder lichtempfindliche
Oberfläche besitzt und daher optoelektrische Sensoren
wenig geeignet sind.
Aus US 5 072 414 ist ein
Ultraschall-Kantenfühler mit den eingangs genannten
Merkmalen bekannt. Er besitzt insgesamt zwei
Ultraschallsensoren, von welchen nur einer im
Kantenbereich der Warenbahn angeordnet ist und der
Erfassung der Bahnkante dient. Der zweite Sensor befindet
sich außerhalb des Kantenbereichs und dient zur Gewinnung
von Kompensationsgrößen, um Änderungen der
Umweltbedingungen, wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit
usw. und deren Einfluß auf das vom ersten Sensor
gelieferte Empfangssignal berücksichtigen und die
Empfangssignale entsprechend normalisieren zu können. Die
Empfangssignale und die Kompensationsgrößen werden aus den
elektrischen Sensorsignalen durch Gleichrichtung,
Spitzenwerterfassung und Digitalisierung gewonnen.
Zwischen den zwei Sensoren wird mit dem als Multiplexer
arbeitenden Schaltwerk umgeschaltet, um gegenseitige
Schallbeeinflussungen zwischen den Sensoren zu vermeiden.
Die Verarbeitung der Empfangssignale und der
Kompensationsgrößen zum Fühlerausgangssignal erfolgt im
Rechenwerk, und zwar unter Mittelung über jeweils eine
Reihe von Empfangssignalen und Kompensationsgrößen. Die im
Sensor ausgesandten und empfangenen
Ultraschallwellensignale sind möglichst kurzzeitige
Schallimpulse mit einer Schallfrequenz von etwa 200 kHz.
Aus der DE 34 42 154 C2 ist es bei einem ähnlichen
Kantenfühler mit nur einem einzigen Ultraschallsensor zur
Vermeidung von Meßstörungen durch Echosignale bekannt, den
Sensorempfänger nur während einer bestimmten Zeitspanne zu
aktivieren, die um die erwartete Laufzeit des
Schallimpulses später als seine Aussendung beginnt und vor
dem Eintreffen der ersten Echosignale endet. Im übrigen
wird auch hier das elektrische Sensorsignal mit seinem
Spitzenwert erfaßt.
Alle solche Kantenfühler haben den Nachteil, daß das
Meßfeld, in dem in Breitenrichtung der Warenbahn die
Kantenlage erfaßt werden kann, nur sehr schmal ist, was
insbesondere dann gilt, wenn die Abhängigkeit des
Fühlerausgangssignals von der Bahnkantenlage im Meßfeld
möglichst linear sein soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Ultraschall-Kantenfühler der eingangs genannten Art so
auszubilden, daß der Bereich, in dem quer zur
Laufrichtung der Warenbahn die Bahnkantenlage erfaßt
werden kann, nach Wunsch vergrößert und dabei die
Abhängigkeit des Fühlerausgangssignals von der
Bahnkantenlage auf einfache Weise linearisiert werden
kann.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einem
Ultraschall-Kantenfühler mit den eingangs genannten
Merkmalen dadurch gelöst,
- a) daß das Meßfeld jedes Sensors in Breitenrichtung der Warenbahn in der Weise begrenzt ist, daß es die Erfassung des Bereichs zwischen zwei Randkantenlagen ermöglicht, die Empfangssignale mit auf der einen Seite des Meßfelds maximalem und auf der anderen Seite minimalem Grenzwert zur Folge haben, und daß die Sensoren eine gegenseitige räumliche Anordnung besitzen, in der diese Meßfelder in Breitenrichtung der Warenbahn lückenlos aneinander gereiht sind,
- b) daß ein vorwärts und rückwärts zählendes Zählwerk vorgesehen ist, das mindestens so viele mögliche Zählerstände besitzt wie Sensoren vorhanden sind, wobei die Sensoren in der durch die Reihung ihrer Meßfelder bestimmten Reihenfolge den Zählerständen zugeordnet sind, und daß das Zählwerk die Schalteinrichtung für die Sensoren so steuert, daß der dem jeweiligen Zählerstand zugeordnete Sensor eingeschaltet ist,
- c) daß eine Komparatorschaltung vorgesehen ist, die den sich für eine aktuelle Kantenlage ergebenden Wert des Empfangssignals mit den den Randkantenlagen des eingeschalteten Sensors zugeordneten Grenzwerten vergleicht und bei Überschreitung des maximalen bzw. Unterschreitung des minimalen Grenzwertes das Zählwerk vorwärts oder rückwärts auf denjenigen Zählerstand umschaltet, der dem in der Reihung der Meßfelder jeweils nächsten Sensor zugeordnet ist,
- d) daß ein Eichdatenspeicher vorgesehen ist, in dem in Abhängigkeit vom eingeschalteten Sensor für das Empfangssignal und für das Fühlerausgangssignal Eichwerte gespeichert sind, die zu Eichkantenlagen gehören, welche für Eichzwecke ausgewählt und über die Meßfelder aller Sensoren verteilt sind, und
- e) daß das Rechenwerk mit dem sich für eine aktuelle Kantenlage ergebenden Wert des Empfangssignals den aktuellen Wert des Fühlerausgangssignals aus den für den eingeschalteten Sensor gespeicherten Eichwerten errechnet.
Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt ist zunächst
darin zu sehen, daß bei der Reihung der Sensoren in
Breitenrichtung der Warenbahn die Meßfelder der Sensoren
aneinander anschließen und sich zu einem gemeinsamen
Meßbereich für die Erfassung der Kantenlage zusammenfügen,
dessen Größe durch entsprechende Anzahl der Sensoren nach
Wunsch gewählt und erweitert werden kann. Da aber immer
nur einer der Sensoren aktiviert ist und arbeitet, können
sich die Sensoren untereinander nicht beeinträchtigen, und
die Folgefrequenz, mit der die Messungen wiederholt werden
können, bleibt so groß wie bei einem Kantenfühler mit nur
einem einzigen Sensor. Ein weiterer wesentlicher Vorteil
der Erfindung besteht darin, daß durch Vorgabe der
Randkantenlagen für die Sensoren deren Meßfelder so weit
beschränkt werden können, daß darin die Abhängigkeit des
mit dem jeweiligen Sensor gewonnenen aktuellen
Empfangssignals von der aktuellen Kantenlage durch eine
Kennlinie gegeben ist, die zwischen den Randkantenlagen
weitgehend linear verläuft, so daß sich die
Meßempfindlichkeit bei der Erfassung der Bahnkante
entsprechend wenig über das Meßfeld jedes einzelnen
Sensors und damit über den gesamten Meßbereich des
Kantenfühlers ändert. Da außerdem das Rechenwerk zu jedem
aktuellen Wert des Empfangssignals den zugeordneten Wert
des Fühlerausgangssignals aus den für den jeweils
eingeschalteten Sensor gespeicherten Eichwerten, im
einfachsten Fall durch lineare Interpolation errechnet,
kann durch die Wahl und Vorgabe dieser Eichwerte die
Abhängigkeit des Fühlerausgangssignals vom Empfangssignal
und damit der Kennlinienverlauf des Kantenfühlers
insgesamt nach Wunsch beeinflußt und insbesondere streng
linearisiert werden, unabhängig davon, aus wie vielen
Sensoren der Kantenfühler aufgebaut, wie groß also sein
gesamter Meßbereich ist. Die Vorgabe und Eingabe der
Eichwerte kann in sehr einfacher Weise derart erfolgen,
daß im Kantenfühler mit Hilfe einer eine Warenbahn
simulierenden Eichblende beliebige Kantenlagen als
Eichkantenlagen eingestellt und der Wert des dazu jeweils
gemessenen Empfangssignals sowie ein Wert des
Fühlerausgangssignals, der dieser Kantenlage zugeordnet
sein soll, als Eichwerte gespeichert werden, wobei für
diese Zuordnung des Fühlerausgangssignals zur
Eichkantenlage lediglich bestimmend ist, daß sich der
gewünschte Kennlinienverlauf und Wertebereich des
Fühlerausgangssignals ergibt.
Im einzelnen besteht die Möglichkeit, daß von den
aneinander gereihten Meßfeldern der Sensoren jeweils nur
ihre Randkantenlagen zusammenfallen. Dann kann sich aber
die Gefahr ergeben, daß die Komparatorschaltung, welche
über das Zählwerk die Schalteinrichtung für die Sensoren
steuert, im Gebiet der für die Umschaltung maßgebenden
Grenzwerte unsicher arbeitet; es kann ein mehrfaches Hin- und
Herschalten zwischen den Sensoren erfolgen, wenn sich
das Empfangssignal im Bereich der Grenzwerte nur
geringfügig ändert. Dies kann bei den Empfangssignalen
Schwierigkeiten bereiten, weil unter Umständen die von
verschiedenen Sensoren stammenden Schallsignale vereinigt
werden. Abhilfe schafft hier die Einführung einer
Schalthysterese. Dazu empfiehlt es sich, die Anordnung so
zu treffen, daß sich jeweils benachbarte Meßfelder
überschneiden. Zweckmäßigerweise sind dabei
die Randkantenlagen für jeden Sensor zugleich
Eichkantenlagen und daher die zugehörigen Eichwerte des
Empfangssignals gleich den für die Sensorumschaltung
maßgeblichen Grenzwerten, so daß die Grenzwerte keiner
eigenen Vorgabe und Speicherung bedürfen. Jedoch bedingt
dies, daß für jede Meßfeldüberschneidung zwei, nämlich den
Überschneidungsbereich beidseits begrenzende, den
Randkantenlagen entsprechende Eichkantenlagen benötigt
werden, was für den Arbeitsaufwand beim Eichvorgang des
Kantenfühlers nachteilig ist. Eine diesen Nachteil
vermeidende und daher besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich in
jedem Überschneidungsbereich der Meßfelder nur eine
Eichkantenlage befindet, zu der zwei Eichwerte des
Empfangssignals gehören, nämlich je eines für die beiden
Sensoren, die den sich überschneidenden Meßfeldern
zugeordnet sind, und daß diese zwei Eichwerte die
Vergleichsgrößen bilden, mit denen je nach eingeschaltetem
Sensor die Komparatorschaltung das aktuelle Empfangssignal
vergleicht, wobei die Komparatorschaltung eine
Schalthysterese besitzt, so daß die für die
Sensorumschaltung maßgeblichen Grenzwerte sich um jeweils
ein Hystereseintervall von den Eichwerten unterscheiden,
also der maximale Grenzwert um das Hystereseintervall
größer und der minimale Grenzwert um das
Hystereseintervall kleiner als der jeweilige Eichwert ist.
Als Hystereseintervall genügen Signalunterschiede von etwa
1% des maximal möglichen Wertes des Empfangssignals.
Im Prinzip kann jedem Grenzwert eine eigene
Komparatoreinheit zugeordnet werden, die das
Empfangssignal dann allerdings nur mit diesem Grenzwert
vergleichen kann, was einen entsprechend großen
Schaltungsaufwand für die Komparatorschaltung bedingt, die
doppelt so viele Komparatoreinheiten benötigen würde wie
Meßfeldüberschneidungen vorhanden sind. Jedoch kann
solcher Aufwand im Rahmen der Erfindung unschwer vermieden
werden. Eine dazu bevorzugte Ausführungsform ist
dadurch gekennzeichnet, daß die
Komparatorschaltung zwei Komparatoreinheiten mit
jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang aufweist, daß der
eine Eingang jeder Komparatoreinheit mit dem aktuellen
Empfangssignal beaufschlagt ist und dem jeweils anderen
Eingang einer der Eichwerte des Empfangssignals aus dem
Eichdatenspeicher aufschaltbar ist, wobei die beiden
jeweils aufgeschalteten Eichwerte zu in der Reihung der
Meßfelder aufeinander folgenden Eichkantenlagen des
jeweils eingeschalteten Sensors gehören, und daß die
Ausgänge der beiden Komparatoreinheiten über
Gatterbausteine verknüpft sind, die das Zählwerk vor- und
zurückstellen, wenn das aktuelle Empfangssignal größer als
der größere oder kleiner als der kleinere der beiden
jeweils aufgeschalteten Eichwerte ist. Vorzugsweise ist
ein weiterer, die Ausgänge der Komparatoreinheiten
verknüpfender Gatterbaustein vorgesehen, der ein das
Rechenwerk freischaltendes Signal generiert, wenn das
aktuelle Empfangssignal im Intervall zwischen den beiden
jeweils aufgeschalteten Eichwerten liegt. Denn dann
braucht das Rechenwerk nur darauf ausgelegt zu sein, mit
jeweils nur denjenigen Eichwerten für das Empfangssignal
und Fühlerausgangssignal zu rechnen, die den
Intervallgrenzen zugeordnet sind, was den Rechneraufbau
entsprechend vereinfacht.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß das Zählwerk einen von den
Gatterbausteinen unmittelbar geschalteten ersten
Vor-/Rückwärtszähler und einen davon geschalteten zweiten
Vor-/Rückwärtszähler aufweist, von welchen der erste
Zähler so viele Zählerstände besitzt wie je Sensor
Eichkantenlagen vorhanden sind, die gemäß ihrer
Reihenfolge im Meßfeld den Zählerständen zugeordnet sind,
und der zweite Zähler mit seinen Zählerständen die
Schalteinrichtung für die Sensoren steuert, wobei der
erste Zähler bei Überschreitung der Zählerstandsgrenzen
sich selbst zurücksetzt und den zweiten Zähler um jeweils
einen Zählerstand weiterschaltet, und wobei im übrigen
beide Zähler gemäß ihren Zählerständen einen Adressdecoder
für den Eichdatenspeicher steuern. Das Zählwerk steuert
dann im Ergebnis nicht nur die Schalteinrichtung für die
Sensoren und bestimmt damit den jeweils eingeschalteten
Sensor, sondern steuert auch den Zugriff der
Komparatorschaltung und des Rechenwerks auf die im
Eichdatenspeicher gespeicherten Eichwerte. Vorzugsweise
ist jedem Sensor dieselbe Anzahl von Eichkantenlagen
zugeordnet, was mit dem Vorteil verbunden ist, daß der
erste Zähler im Zählwerk nur einmal vorhanden zu sein
braucht, denn für jeden Sensor ist dann die Anzahl der
Zählerstände gleich groß und es genügt, den ersten Zähler
beim Übergang zwischen den Sensoren entsprechend
umzuschalten. Sind dagegen Sensoren mit abweichender
Anzahl von Eichkantenlagen vorhanden, müssen für diese
Sensoren jeweils eigene erste Zähler mit einer dieser
Anzahl von Eichkantenlagen entsprechenden Anzahl von
Zählerständen vorgesehen werden; und die Ausgänge dieser
ersten Zähler sind so zu verknüpfen, daß sie den allen
ersten Zählern gemeinsamen zweiten Zähler zu steuern
vermögen.
Im übrigen empfiehlt es sich, daß im Eichdatenspeicher für
jeden Sensor und jede Eichkantenlage Eichwerte für einen
Proportionalitätsfaktor gespeichert sind, die den den
Eichkantenlagen entsprechenden Eichwerten für das
Empfangs- bzw. Fühlerausgangssignal zugeordnet sind, und
daß sich für eine aktuelle Kantenlage der Wert S des
Fühlerausgangssignals aus dem Wert W des Empfangssignals
nach den Gleichungen
errechnet, worin Wk,n, Sk,n und Wk,n+1, Sk,n+1 für
den k-ten Sensor die Eichwerte für das Empfangs- bzw.
Fühlerausgangssignal in der n-ten und (n+1)-ten
Eichkantenlage und mk,n den den Eichwerten Wk,n,
Sk,n zugeordneten Eichwert des Proportionalitätsfaktors
bedeuten. Es genügen dann nur wenige Rechenglieder für das
Rechenwerk, nämlich ein die Differenz (Wk,n-W)
bildendes Subtrahierglied, ein das Produkt mk,n
(Wk,n-W) bildendes Multiplizierglied und ein die Summe
Sk,n + mk,n * (Wk,n-W) bildendes Addierglied. Die
Eichwerte mk,n des Proportionalitätsfaktors werden beim
Eichvorgang des Kantenfühlers aus den mit Hilfe der
Eichblende bereits ermittelten und gespeicherten
Eichwerten für das Empfangssignal und das
Fühlerausgangssignal berechnet und gespeichert. Es besteht
aber bei entsprechender Auslegung des Rechenwerks auch die
Möglichkeit, die Eichwerte mk,n bei jedem aktuellen
Meßvorgang jeweils neu aus den Eichwerten Wk,n, Sk,n zu
berechnen, welche für diejenige Eichkantenlage gelten, die
der jeweils aktuellen Kantenlage zugeordnet und durch die
Zählerstände des Zählwerks bestimmt ist.
Im übrigen empfiehlt es sich, Exemplarstreuungen zwischen
den Sensoren möglichst auszugleichen. Eine dafür im Rahmen
der Erfindung bevorzugte Möglichkeit ist dadurch
gekennzeichnet, daß für die Senderspannung der Sensoren
ein Spannungsgenerator vorgesehen ist, bei dem die Größe
der erzeugten Senderspannung verstellbar und auf eine für
jeden Sensor eigene Eichspannung einstellbar ist, mit der
die von den Sensoren bei freiem Meßfeld erzeugten
Empfangssignale jeweils gleich groß sind, und daß mit den
Sensoren zugleich deren Eichspannungen umschaltbar sind.
Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es
zeigen:
Fig. 1 die Ansicht des Meßkopfes eines Kantenfühlers,
gesehen in Laufrichtung der zu überwachenden
Warenbahn, teils im Schnitt,
Fig. 2 den Grundriß eines der Ultraschallschwinger des
Meßkopfes nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,
Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2 in nochmals stärkerer
Vergrößerung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild des Kantenfühlers in stark
vereinfachter Darstellung,
Fig. 5 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der
Funktionsweise des Kantenfühlers,
Fig. 6 ein Blockschaltbild der für das Verständnis der
Erfindung wesentlichen Teile des zum Kantenfühler
gehörenden Prozessors,
Fig. 7 ein Funktionsschaltbild des Kantenfühlers in
gegenüber Fig. 6 vollständigerer Darstellung, und
Fig. 8 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des zeitlichen
Meßablaufs des Kantenfühlers.
Der aus der Zeichnung ersichtliche
Ultraschall-Kantenfühler besitzt einen in Fig. 1 für sich
allein dargestellten Meßkopf 100 in Form eines etwa
U-förmigen Bügels mit an den Enden der Bügelschenkel 101
angeordneten Ultraschall-Schwingern 102, von welchen der
eine als Ultraschall-Sender, der andere als
Ultraschall-Empfänger arbeitet. Beide Schwinger 102 stehen
sich über den zwischen den Bügelschenkeln 101 gebildeten
Meßspalt 103 hinweg mechanisch gegenüber und bilden
zwischen sich eine Schallstrecke, die von den
Ultraschallwellen auf ihrem Weg vom Ultraschall-Sender zum
Ultraschall-Empfänger durchlaufen wird. Eine Warenbahn 110
steht mit ihrer Bahnkante 111 in den Meßspalt 103 vor.
Ändert sich die Lage der Bahnkante 111 in Breitenrichtung
der Warenbahn (Pfeil 112), werden dadurch die
Ultraschallwellen in der Schallstrecke mehr oder weniger
beeinflußt, was zur Detektion der Kantenlage benutzt wird.
Die Schallschwinger 102 besitzen entsprechend der
vergrößerten Darstellung in Fig. 2 mehrere, im
Ausführungsbeispiel vier, im Querschnitt kreisrunde
Ultraschall-Sensoren 1, 2, 3, 4 aus jeweils
Sensorsender 1.1, 2.1, 3.1, 4.1 und Sensorempfänger 1.2,
2.2, 3.2, 4.2, wobei die Sensorsender gemeinsam im einen,
die Sensorempfänger gemeinsam im anderen der beiden
Ultraschallschwinger 102 angeordnet sind und jeder
Sensorempfänger 1.2, 2.2, 3.2, 4.2 dem ihm jeweils
zugeordneten Sensorsender 1.1, 2.1, 3.1, 4.1 am
Meßspalt 103 gegenübersteht. Die gegenseitige Anordnung
der Sensoren 1, 2, 3, 4 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Jedem
Sensor ist ein eigenes Meßfeld 1′, 2′, 3′, 4′ in der
Schallstrecke zugeordnet. Diese Meßfelder sind in Fig. 2
durch Schraffuren kenntlich gemacht. Dem im Meßspalt 103
äußersten Sensor 1 ist das Meßfeld 1′, den nächstfolgenden
Sensoren 2 und 3 das Meßfeld 2′ bzw. 3′ und dem innersten
Sensor 4 das Meßfeld 4′ zugeordnet. Die Sensorsender 1.1,
2.1, 3.1, 4.1 (Fig. 4) senden jeweils sehr kurze
Ultraschallwellenimpulse aus. Die zugeordneten
Sensorempfänger 1.2, 2.2, 3.2, 4.2 bilden aus den jeweils
in ihrem Meßfeld 1′, 2′, 3′, 4′ aufgenommenen
Ultraschallwellenimpulsen elektrische Sensorsignale, die
vom Grad der Abdeckung des Meßfelds 1′, 2′, 3′, 4′ durch
die Warenbahn 110 abhängen. Eine in der Zeichnung
allgemein mit 20 bezeichnete, als Multiplexer arbeitende
Schalteinrichtung schaltet jeweils immer nur einen der
Sensorsender 1.1 bis 4.1 und nur den jeweils dazu
gehörenden Sensorempfänger 1.2 bis 4.2 ein, wobei die
Einschaltung der Sensorsender 1.1 bis 4.1 durch den
Schaltteil 20.1 und der Sensorempfänger 1.2 bis 4.2 durch
den Schaltteil 20.2 erfolgt. Die Schalteinrichtung 20 mit
den beiden Schaltteilen 20.1, 20.2 kann zur Umschaltung
zwischen den Sensoren 1 bis 4 gesteuert werden, was noch
im einzelnen beschrieben wird.
Das elektrische Sensorsignal des jeweils vom
Schaltteil 20.2 eingeschalteten, in Fig. 4 also des
dritten Sensorempfängers 1.2 bis 4.2 wird in einem
Signalwandler 104 zu einem mit W bezeichneten
Empfangssignal umgeformt, nämlich zunächst analog
aufbereitet und dann digitalisiert, wobei zur analogen
Aufbereitung ein Spitzenwertgleichrichter 104.1 und zur
Digitalisierung des daraus erhaltenen Signalspitzenwerts
ein A/D-Wandler 104.2 vorgesehen sind. Der
Spitzenwertgleichrichter 104.1 kann über eine
Leitung 104.3 von einem Prozessor 105 aktiviert oder
inaktiviert werden, so daß er nur eine vorgegebene
Zeitspanne vom Zeitpunkt des Empfangs des
Ultraschallwellenimpulses an arbeitet.
In dem Prozessor 105 befindet sich ein aus Fig. 6 näher
ersichtliches Rechenwerk 106, das aus dem digitalisierten
Empfangssignal W ein der Kantenlage zugeordnetes
Fühlerausgangssignal S berechnet, das zur Steuerung einer
selbst nicht dargestellten Bahnführungseinrichtung
verwendet wird, die zusammen mit dem Kantenfühler einen
geschlossenen Regelkreis für die Kantenlage der Warenbahn
bildet.
Um Exemplarstreuungen bei den Sensoren 1 bis 4
auszugleichen, ist zur Erzeugung ihrer Senderspannung ein
Spannungsgenerator 107 vorgesehen, bei dem die Größe der
erzeugten Senderspannung verstellbar und auf eine für
jeden Sensor 1 bis 4 eigene Eichspannung einstellbar ist.
Die Größe dieser Eichspannungen bestimmt sich daraus, daß
jeder Sensor 1 bis 4 mit der ihm eigenen Eichspannung bei
freiem Meßspalt 103 gleich große Empfangssignale W ergibt.
Im einzelnen werden dazu in einem automatischen
Abgleichlauf bei vollständig freiem Meßspalt 103 die
Sensoren 1 bis 4 mit den Schaltteilen 20.1 und 20.2 der
Reihe nach durchgeschaltet und die einzelnen
Senderspannungen für jeden Sensor so lange verändert, bis
sich gleich große Empfangssignale W am Ausgang des
A/D-Wandlers 104.2 ergeben. Die so ermittelten
Eichspannungen für die Sensoren werden in einem
Eichdatenspeicher 108 gespeichert. Wird dann später bei
der Erfassung der Kantenlage zwischen den Sensoren
umgeschaltet, so erfolgt über eine Steuerleitung 109 eine
entsprechende Umschaltung der Senderspannung, so daß jeder
Sensor immer nur mit der ihm zugeordneten Eichspannung
betrieben wird. Dabei kann zwar, wie in Fig. 6, die
Kapazität aller Sensorsender 1.1 bis 4.1 über eine
Versorgungsleitung 114 jeweils auf dieselbe Senderspannung
aufgeladen werden, jedoch muß diese Senderspannung die
Größe der Eichspannung des aktuellen Sensors besitzen.
Soll zu einem anderen Sensor übergegangen werden, muß
zuvor die Senderspannung auf dessen Eichwert geändert
werden. Die Einschaltung der Sensorsender 1.1 bis 4.1
erfolgt dadurch, daß die Kapazität des jeweils aktuellen
Sensorsenders durch einen für jeden einzelnen Sensorsender
vorgesehenen Booster 1.3 bis 4.3 entladen und dadurch der
Ultraschallwellenimpuls ausgelöst wird. Dazu liefert der
Prozessor 105 über die Leitungen 115 einen 5 µs breiten
Impuls 128 (Fig. 8) für den jeweiligen Booster 1.3 bis
4.3.
Die Abhängigkeit der durch den beschriebenen Abgleichlauf
normierten Empfangssignale von der Kantenlage z und dem
jeweils eingeschalteten Sensor 1 bis 4 ist in Fig. 5
dargestellt, wobei der Wert z = 0 an die Stelle des rechten
Randes 1001 des Meßfelds 1′ in Fig. 2 gelegt ist. Im
übrigen ergibt sich die Bedeutung von z aus der Fig. 1. Es
ist der Abstand, um den die Bahnkante 111 vom
Meßfeldrand 1001 aus nach innen in den Meßspalt 103 hinein
vorsteht. Das Meßfeld 1′ erstreckt sich somit in Fig. 5
zwischen z = 0 und z = 5 mm, das Meßfeld 2′ zwischen z = 5 mm
und 10 mm, das Meßfeld 3′ zwischen z = 10 mm und 15 mm und
das Meßfeld 4′ zwischen z = 15 mm und 20 mm. Diese Zuordnung
ist in der obersten Reihe des Diagramms nach Fig. 5 durch
die Angaben 1′ bis 4′ angedeutet.
Das Meßfeld 1′ bis 4′ jedes Sensors 1 bis 4 ist durch
jeweils zwei gedachte Randkantenlagen 1001, 1002, bzw.
2001, 2002, bzw. 3001, 3002 und 4001, 4002 begrenzt, womit
genauer gemeint ist, daß die Sensoren jeweils nur
innerhalb dieser Begrenzung ihres Meßfelds für die Messung
aktueller Kantenlagen benutzt werden. In der vereinfachten
Darstellung der Fig. 2 fallen die Randkantenlagen 1002,
2001 usw. benachbarter Meßfelder 1′, 2′ bzw. 2′, 3′ und 4′
scheinbar zusammen. In Wirklichkeit aber überschneiden
sich die Randkantenlagen geringfügig, wie dies in der
vergrößerten Darstellung der Fig. 3 am Beispiel der
Meßfelder 1′ und 2′ deutlich wird. Die Überschneidung ist
mit B bezeichnet. Diese Überschneidungen sind in Fig. 5
übertrieben dargestellt. Im Ergebnis sind die durch ihre
Randkantenlagen 1001 bis 4002 begrenzten Meßfelder 1′ bis
4′ in Breitenrichtung der Warenbahn 110 (Pfeil 112)
lückenlos aneinander gereiht. In der jeweils rechten
Randkantenlage 1001 bis 4001 besitzt das Empfangssignal W
einen maximalen Grenzwert Wmax, in der linken
Randkantenlage 1002 bis 4002 einen minimalen
Grenzwert Wmin.
Die Messung der aktuellen Lage der Bahnkante 111 erfolgt
immer nur durch einen einzigen Sensor 1 bis 4, nämlich
durch denjenigen, in dessen Meßfeld 1′ bis 4′ die
Bandkante 111 jeweils liegt. Verlagert sich die
Bandkante 111 von einem Meßfeld in eines der beiden
jeweils benachbarten, wird von der Schalteinrichtung 20
auf den entsprechend anderen Sensor umgeschaltet. Diese
Umschaltung wird mit Hilfe eines vor- und rückwärts
zählenden Zählwerks 116 (Fig. 6) gesteuert, das für jeden
Sensor 1 bis 4 über einen eigenen Zählerstand verfügt,
wobei die Sensoren 1 bis 4 in der durch die Reihung ihrer
Meßfelder 1′ bis 4′ gegebenen Reihenfolge den
Zählerständen zugeordnet sind. Diesen Zählerständen
entsprechen vier Zählerausgänge 117, über die das
Zählwerk 116 die Schalteinrichtung 20 so steuert, daß der
dem jeweiligen Zählerstand, also dem jeweiligen
Zählerausgang 117, zugeordnete Sensor eingeschaltet ist.
Das Zählwerk 116 wiederum wird von einer
Komparatorschaltung 118 gesteuert, die den sich für eine
aktuelle Kantenlage ergebenden Wert W des Empfangssignals
mit den den Randkantenlagen des eingeschalteten Sensors 1
bis 4 zugeordneten Grenzwerten Wmax und Wmin vergleicht.
Bei Überschreitung des maximalen Grenzwerts Wmax bzw.
Unterschreitung des minimalen Grenzwerts Wmin schaltet das
Zählwerk 116 vorwärts oder rückwärts auf denjenigen
Zählerstand (Ausgänge 117), der dem in der Reihung der
Meßfelder 1′ bis 4′ jeweils nächsten Sensor 1 bis 4
zugeordnet ist.
Im Eichdatenspeicher 108 sind für das Empfangssignal in
Abhängigkeit vom eingeschalteten Sensor (k = 1 bis 4)
Eichwerte W1,1, W1,2, . . . , Wk,n . . . W4,5, W4,6
gespeichert, die in Fig. 5 durch Punkte angedeutet sind
und zu Eichkantenlagen zk,n (n = 1 bis 6) gehören, die
äquidistant die Meßfelder 1′ bis 4′ in im
Ausführungsbeispiel fünf gleich breite Streifen
unterteilen und der Einfachheit wegen in Fig. 2 nur in den
Meßfeldern 2′ und 3′ als z2,2, z2,3 bis z2,6 bzw.
z3,2 bis z3,6 und in Fig. 5 nur im Meßfeld 1′ als
z1,1, z1,2 bis z1,6 eingetragen sind. Je eine dieser
Eichkantenlagen, nämlich z1,6, z2,6 und z3,6
befindet sich in jedem Überschneidungsbereich B zweier
Meßfelder 1′, 2′ bzw. 2′, 3′ und 3′, 4′. Zu diesen
letzteren Eichkantenlagen z1,6, z2,6 und z3,6
gehören je zwei Eichwerte des Empfangssignals W, nämlich
je einer für die beiden Sensoren, die den sich
überschneidenden Meßfeldern zugeordnet sind. Im einzelnen
sind dies bei der Eichkantenlage z1,6 der Eichwert
W1,6 für den Sensor 1 und der Eichwert W2,1 für den
Sensor 2, bei der Eichkantenlage z2,6 der Eichwert
W2,6 für den Sensor 2 und W3,1 für den Sensor 3 und
bei der Eichkantenlage z3,6 der Eichwert W3,6 für den
Sensor 3 und der Eichwert W4,1 für den Sensor 4. Alle
diese Eichwerte werden in einem Eichlauf dadurch gewonnen,
daß anstelle einer Warenbahn eine sie simulierende
Eichblende im Meßspalt 103 in Richtung des Pfeiles 112
schrittweise so verschoben wird, daß sich die der
Bahnkante entsprechende Blendenkante nacheinander an den
ausgewählten Eichkantenlagen zk,n befindet. In jeder
dieser Eichkantenlagen bildet der sich einstellende Wert
Wk,n des Empfangssignals den entsprechenden Eichwert,
der gespeichert wird. Dieser Eichlauf läuft automatisiert
ab.
Im Eichdatenspeicher 108 sind außerdem zu jeder
Eichkantenlage digitale Eichwerte S1,1, S1,2 . . .
Sk,n . . . , S4,6 für das Fühlerausgangssignal S
gespeichert. Die Zuordnung dieser Eichwerte Sk,n zu den
Eichkantenlagen zk,n richtet sich nach der für das
Fühlerausgangssignal gewünschten Abhängigkeit von der
Kantenlage, nach dessen insgesamt gewünschtem Wertebereich
und/oder nach dessen gewünschter Nullpunktlage, wobei
zumeist eine lineare Proportionalität des
Fühlerausgangssignals mit der Kantenlage gewählt werden
wird, aber nicht gewählt werden muß.
Aus diesen gespeicherten Eichwerten Wk,n, Sk,n
errechnet das Rechenwerk 106 mit dem sich für eine
aktuelle Kantenlage zk,n in Abhängigkeit vom
eingeschalteten Sensor k ergebenden Wert W des
Empfangssignals den Wert S des aktuellen
Fühlerausgangssignals, was später genauer beschrieben
wird.
Es wurde bereits erwähnt, daß jeder Eichkantenlage
zk,6 (k = 1 bis 3), die innerhalb einer
Meßfeldüberschneidung B liegt, zwei Eichwerte für das
Empfangssignal zugeordnet sind. Diese je zwei Eichwerte
W1,6, W2,1; W2,6, W3,1; W3,6, W4,1 bilden,
außer ihrer Funktion für die Berechnung des aktuellen
Fühlerausgangssignals, im Ausführungsbeispiel auch die
Vergleichsgrößen, mit denen je nach eingeschaltetem Sensor
die Komparatorschaltung 118 das aktuelle Empfangssignal W
vergleicht. Die Komparatorschaltung besitzt dabei eine
Schalthysterese, so daß die für die Sensorumschaltung
maßgeblichen Grenzwerte Wmax, Wmin sich um jeweils ein
Hystereseintervall H von den Eichwerten unterscheiden,
also der maximale Grenzwert Wmax um das Hystereseintervall
H größer, der minimale Grenzwert Wmin um das
Hystereseintervall H kleiner als der jeweilige Eichwert
W1,1, W2,1, W3,1, W4,1 bzw. W1,6, W2,6,
W3,6, W4,6 ist. Im einzelnen besitzt die
Komparatorschaltung 118 nur zwei
Komparatoreinheiten 118.1, 118.2 mit jeweils zwei
Eingängen und einem Ausgang. Der eine, in Fig. 6 obere
Eingang jeder Komparatoreinheit 118.1, 118.2 ist mit dem
aktuellen Empfangssignal W beaufschlagt. Dem jeweils
anderen Eingang ist einer der beiden Eichwerte Wk,n und
Wk,n+1 des Empfangssignals aus dem Eichdatenspeicher 108
aufschaltbar. Die beiden jeweils aufgeschalteten Eichwerte
Wk,n, Wk,n+1 gehören zu aufeinander folgenden
Eichkantenlagen zk,n, zk,n+1 (n = 1 bis 5) des jeweils
eingeschalteten Sensors k (k = 1 bis 4). Die Ausgänge der
beiden Komparatoreinheiten 118.1 und 118.2 sind über
Gatterbausteine 119.1, 119.2 verknüpft, von welchen der
Gatterbaustein 119.1 das Zählwerk 116 zurück- und der
andere Gatterbaustein 119.2 vorstellt, wenn das aktuelle
Empfangssignal W größer als der größere bzw. kleiner als
der kleinere der beiden jeweils aufgeschalteten Eichwerte
Wk,n, Wk,n+1 ist. Ein weiterer, die Ausgänge der
Komparatoreinheiten 118.1, 118.2 verknüpfender
Gatterbaustein 119.3 erzeugt ein das Rechenwerk 106
freischaltendes Signal, wenn das aktuelle Empfangssignal W
im Intervall zwischen den beiden aufgeschalteten
Eichwerten Wk,n, Wk,n+1 liegt und daher mit diesen
Eichwerten das aktuelle Fühlerausgangssignal zu errechnen
ist.
Das Zählwerk 116 besitzt einen von den
Gatterbausteinen 119.1, 119.2 unmittelbar geschalteten
Vor-/Rückwärtszähler 116.1 und einen davon geschalteten
zweiten Vor-/Rückwärtszähler 116.2. Der erste Zähler 116.1
besitzt so viele, nämlich sechs Zählerstände, wie je
Sensor k (k = 1 bis 4) Eichkantenlagen vorhanden sind, die
gemäß ihrer Reihenfolge im Meßfeld k′ (k′ = 1-4) den
Zählerständen zugeordnet sind. Der zweite Zähler 116.2
besitzt so viele, nämlich vier Zählerstände, wie Sensoren
vorhanden sind und steuert mit seinen Zählerständen über
die Ausgänge 117 und die Leitung C in der schon
beschriebenen Weise die Schalteinrichtung 20, was in Fig.
4 durch Vermittlung eines Adressdecoders 20.3, in Fig. 7
über die Leitung 510 erfolgt. Der erste Zähler 116.1 setzt
sich bei Überschreitung der Zählerstandsgrenzen in der
einen oder anderen Richtung über ein Reset R selbst zurück
und schaltet den zweiten Zähler 116.2 um jeweils einen
Zählerstand zurück oder vor. Im übrigen steuern beide
Zähler 116.1, 116.2 mit ihren jeweiligen Zählerständen
über Leitungen 121 einen im Eichdatenspeicher 108
enthaltenen, in Fig. 6 nicht dargestellten Adressdecoder
zum Abrufen der zum eingeschalteten Sensor k und zur
Eichkantenlage zk,n gehörenden Eichwerte Wk,n, Sk,n
in einen Zwischenspeicher 120.
Bewegt sich aus dem Meßfeld k′ die aktuelle Kantenlage in
das Meßfeld (k-1)′, schaltet das Zählwerk 116 vom Sensor k
auf den Sensor k-1 um, sobald das Empfangssignal W den
Wert Wmax = Wk,1 + H erreicht. Dabei schaltet nicht nur
der zweite Zähler 116.2 um einen Zählerstand zurück,
sondern der erste Zähler 116.1 setzt sich auch vom
Zählerstand n = 1 auf den Zählerstand n = 5 zurück
entsprechend dem Übergang vom Eichwert Wk,1 zum Eichwert
Wk-1,5. Bewegt sich anschließend die aktuelle Kantenlage
vom Meßfeld (k-1)′ wieder in das Meßfeld k′ zurück,
erfolgt die Sensorumschaltung k-1 nach k erst, wenn das
Empfangssignal W auf Wk-1,6 - H abgenommen hat.
Entsprechend erfolgt wieder die Rücksetzung des ersten
Zählers 116.1 vom Zählerstand n = 5 auf den Zählerstand n = 1
entsprechend dem Übergang vom Eichwert Wk-1,5 zum
Eichwert Wk,1. - Überschreitet die aktuelle Kantenlage
im Meßspalt 103 die Eichkantenlage z1,1 nach außen,
überschreitet der zweite Zähler 116.2 seinen Zählbereich
auf der Seite des Zählerstandes k = 1 mit dem Ergebnis, daß
am Ausgang A1 des Zählers ein die
Meßbereichsüberschreitung meldendes Signal entsteht. Ein
entsprechendes Signal entsteht am Ausgang A2, wenn die
aktuelle Kantenlage die Eichkantenlage z4,6 nach innen
überschreitet, da dann der zweite Zähler 116.2 seinen
Zählbereich am anderen Ende beim Zählerstand k = 4
überschreitet.
Im Eichdatenspeicher 108 sind weiter für jeden Sensor k
und jede Eichkantenlage zk,n Eichwerte mk,n für einen
Proportionalitätsfaktor gespeichert. Diese Eichwerte
mk,n bestimmen sich aus
und werden aus den gespeicherten Eichwerten Wk,n, Sk,n
für das Empfangssignal und das Fühlerausgangssignal vom
Prozessor 105 berechnet. Der Wert S des aktuellen
Fühlerausgangssignals ergibt sich dann für eine aktuelle
Kantenlage z aus dem Wert W des aktuellen Empfangssignals
nach der Gleichung
S = Sk,n + mk,n * (W-Wk,n).
Diese Berechnung erfolgt im Rechenwerk 106. Es besitzt ein
Subtrahierglied 106.1, dem das aktuelle Empfangssignal W
und aus dem Zwischenspeicher 120 der Eichwert Wk,n
zugeführt wird. Die im Subtrahierglied 106.1 gebildete
Differenz Wk,n-W wird zusammen mit dem aus dem
Zwischenspeicher 120 genommenen Eichwert mk,n für den
Proportionalitätsfaktor in einem Multiplizierglied 106.2
multipliziert und das Produkt mit dem Eichwert Sk,n aus
dem Zwischenspeicher in einem Addierglied 106.3 addiert,
was im Ergebnis das aktuelle Fühlersignal S liefert.
Die Kantenlage der Warenbahn wird in sich wiederholenden
Meßzyklen von 1 ms Dauer gemessen. Das Zeitdiagramm für
einen solchen Meßzyklus zeigt Fig. 8. Zu Beginn t0 werden
zunächst die Senderspannung für den aktuellen Sensor
eingestellt, wofür die Dauer der Zeitspanne 122 (350 µs)
zur Verfügung steht, ferner die aktuelle Sensoradresse
gesetzt (Reihe 111) und mit dem BLANK-Signal (Reihe V) der
aktuelle Sensorempfänger abgeschaltet. Nach der Zeitspanne
122 wird der aktuelle Sensor-Sender mit dem Dirac-Impuls
128 von 5 µs Dauer beaufschlagt, so daß er einen
Ultraschallwellenimpuls aussendet und die Schallaufzeit
beginnt. Bis zum erwarteten Zeitpunkt t1 der Ankunft des
Ultraschallwellenimpulses am Sensorempfänger vergeht eine
Verzögerungsspanne 127, die von der Weite des Meßspalts
103 im Meßkopf 100 abhängt und bei einer Änderung der
Spaltweite entsprechend verstellbar ist. Mit dem Ablauf
dieser Verzögerungsspanne 127 wird das BLANK-Signal (Reihe
V) aufgehoben und damit der aktuelle Sensorempfänger
eingeschaltet. Nach dem Eintreffen des
Ultraschallwellenimpulses 123 (Reihe IV), der rasch wieder
abklingt, startet nach einer Verzögerungsspanne 124 (etwa
80 µs) die Wandlung des (analogen) elektrischen
Sensorsignals in das digitale Empfangssignal, was nach
einer weiteren Zeitspanne 125 (etwa 37 µs) beendet ist, so
daß anschließend durch den Impuls 126 (Reihe VII) die
Ermittlung des aktuellen Fühlerausgangssignals durch das
Rechenwerk 106 beginnt. Nach Abschluß dieser Ermittlung
wird noch die für den nächsten Meßzyklus gültige
Sensoradresse ermittelt und nach Ablauf der Zyklusdauer
von 1 ms mit dem nächsten Meßzyklus begonnen.
Zur weiteren Erläuterung des Funktionsschaltbildes in Fig.
7 mögen noch die folgenden Angaben dienen:
Ein Reset-Clock Generator 501 erzeugt einerseits den Einschalt-Reset und andererseits den zentralen Takt mit 16 MHz. Ein Programmspeicher 502 beinhaltet das Steuerprogramm. Ein Datenspeicher 503 enthält temporär gültige Daten sowie eine Kopie der im Eichdatenspeicher 108 gesicherten Eichdaten. Dieser Eichdatenspeicher 108 ist als EEPROM ausgeführt; dort sind außer den Eichwerten Wk,n, Sk,n, mk,n auch die im Abgleichlauf ermittelten Eichspannungen abgelegt. Ebenfalls enthalten sind für den Betrieb notwendige Kenndaten wie Device- und Gruppenadressen. Die Daten bleiben bei Spannungsausfall erhalten. Eine Multifunktionsanzeige 505 (gelbe LED′s) zeigt je nach Betriebszustand entweder die Device- und Gruppenadresse oder, auf den gesamten Meßbereich des Kantenfühlers normiert, die aktuelle Position der Warenkante im Meßspalt des Meßkopfes 100 an. Mit einer LED-Control 506 kann die Helligkeit der Anzeige beeinflußt werden. Die LED′s insbesondere ausschalten zu können, ist besonders für den Einsatz des Kantenfühlers an lichtempfindlicher Ware von Bedeutung. Mit dem Temperaturfühler 507 wird laufend die Betriebstemperatur gemessen, um den Meßzeitpunkt t1 (Fig. 8) der veränderlichen Schallaufzeit anpassen zu können. Multifunktionstaster 508 werden entsprechend dem augenblicklichen Betriebszustand verwendet, um z. B. die Device- und Gruppenadresse einzustellen oder Signale abzugeben, die eine Verlagerung der Warenbahn bewirken. Ein CAN-Bus Indikator 509 liefert online den Status der CAN-Übertragung. Der Prozessor 105 aktiviert über die Leitungen 510 den aktuellen Sensor. Der Analog-Multiplexer 20.2 schaltet den durch die aktuelle Adresse ausgewählten Sensorempfängerkanal auf den Vorverstärker 514 durch. Die Verstärkung dieses zweistufigen Vorverstärkers 514 ist über die Leitung 504 wählbar, um eine Anpassung an verschieden große Empfangssignale, abhängig von der Weite des Meßspaltes 103, zu ermöglichen. Ein CLEAR-Signal auf der Leitung 515 entlädt den Kondensator 516 des Spitzenwertgleichrichters 104.1 bis zum Zeitpunkt des Eintreffens des nächsten Schallwellensignals. Der Impedanzwandler 517 mit hoher Eingangs- und niedriger Ausgangsimpedanz verhindert Rückwirkungen des Prozessoreingangs auf den Ladekondensator 516 des Spitzenwertgleichrichters 104.1, die sonst über die das aufbereitete analoge Sensorsignal führende Leitung 518 stattfinden könnten. Die Sollspannung des Spannungsgenerators 107 für den aktuellen Sensor wird über die Steuerleitung 109 mit einem pulsbreitenmodulierten Signal aus dem Prozessor 105 eingestellt. Die aktuelle Spannung wird über die Leitung 109′ vom Prozessor 105 gemessen und überwacht. Die Stromversorgung für Logik- und Analogteil ist mit 519 bezeichnet. Der Prozessor 105 (80 C 592) besitzt einen integrierten CAN-Bus Controller 520, dessen Ein- und Ausgangssignale vom und zum externen CAN-Bus über einen CAN-Driver 521 empfangen bzw. gesendet werden. Die Versorgungsspannung wird vom Prozessor über die Leitung 522 überwacht.
Ein Reset-Clock Generator 501 erzeugt einerseits den Einschalt-Reset und andererseits den zentralen Takt mit 16 MHz. Ein Programmspeicher 502 beinhaltet das Steuerprogramm. Ein Datenspeicher 503 enthält temporär gültige Daten sowie eine Kopie der im Eichdatenspeicher 108 gesicherten Eichdaten. Dieser Eichdatenspeicher 108 ist als EEPROM ausgeführt; dort sind außer den Eichwerten Wk,n, Sk,n, mk,n auch die im Abgleichlauf ermittelten Eichspannungen abgelegt. Ebenfalls enthalten sind für den Betrieb notwendige Kenndaten wie Device- und Gruppenadressen. Die Daten bleiben bei Spannungsausfall erhalten. Eine Multifunktionsanzeige 505 (gelbe LED′s) zeigt je nach Betriebszustand entweder die Device- und Gruppenadresse oder, auf den gesamten Meßbereich des Kantenfühlers normiert, die aktuelle Position der Warenkante im Meßspalt des Meßkopfes 100 an. Mit einer LED-Control 506 kann die Helligkeit der Anzeige beeinflußt werden. Die LED′s insbesondere ausschalten zu können, ist besonders für den Einsatz des Kantenfühlers an lichtempfindlicher Ware von Bedeutung. Mit dem Temperaturfühler 507 wird laufend die Betriebstemperatur gemessen, um den Meßzeitpunkt t1 (Fig. 8) der veränderlichen Schallaufzeit anpassen zu können. Multifunktionstaster 508 werden entsprechend dem augenblicklichen Betriebszustand verwendet, um z. B. die Device- und Gruppenadresse einzustellen oder Signale abzugeben, die eine Verlagerung der Warenbahn bewirken. Ein CAN-Bus Indikator 509 liefert online den Status der CAN-Übertragung. Der Prozessor 105 aktiviert über die Leitungen 510 den aktuellen Sensor. Der Analog-Multiplexer 20.2 schaltet den durch die aktuelle Adresse ausgewählten Sensorempfängerkanal auf den Vorverstärker 514 durch. Die Verstärkung dieses zweistufigen Vorverstärkers 514 ist über die Leitung 504 wählbar, um eine Anpassung an verschieden große Empfangssignale, abhängig von der Weite des Meßspaltes 103, zu ermöglichen. Ein CLEAR-Signal auf der Leitung 515 entlädt den Kondensator 516 des Spitzenwertgleichrichters 104.1 bis zum Zeitpunkt des Eintreffens des nächsten Schallwellensignals. Der Impedanzwandler 517 mit hoher Eingangs- und niedriger Ausgangsimpedanz verhindert Rückwirkungen des Prozessoreingangs auf den Ladekondensator 516 des Spitzenwertgleichrichters 104.1, die sonst über die das aufbereitete analoge Sensorsignal führende Leitung 518 stattfinden könnten. Die Sollspannung des Spannungsgenerators 107 für den aktuellen Sensor wird über die Steuerleitung 109 mit einem pulsbreitenmodulierten Signal aus dem Prozessor 105 eingestellt. Die aktuelle Spannung wird über die Leitung 109′ vom Prozessor 105 gemessen und überwacht. Die Stromversorgung für Logik- und Analogteil ist mit 519 bezeichnet. Der Prozessor 105 (80 C 592) besitzt einen integrierten CAN-Bus Controller 520, dessen Ein- und Ausgangssignale vom und zum externen CAN-Bus über einen CAN-Driver 521 empfangen bzw. gesendet werden. Die Versorgungsspannung wird vom Prozessor über die Leitung 522 überwacht.
Claims (11)
1. Ultraschall-Kantenfühler zur Erfassung der Kantenlage
einer Warenbahn,
mit mindestens zwei Ultraschallsensoren (1, 2, 3, 4) aus jeweils einem Sensorsender, der kurze Ultraschallwellenimpulse ausstrahlt, und einem Sensorempfänger, der die Ultraschallwellenimpulse aufnimmt,
wobei jedem Sensor (1, 2, 3, 4) ein eigenes, von den Ultraschallwellenimpulsen auf ihrem Weg vom Sensorsender zum Sensorempfänger durchlaufenes Meßfeld (1′, 2′, 3′, 4′) zugeordnet ist und der Sensorempfänger aus den aufgenommenen Ultraschallwellenimpulsen jeweils ein vom Grad der Abdeckung seines Meßfelds durch die Warenbahn (110) abhängendes elektrisches Sensorsignal bildet, und wobei eine Schalteinrichtung (20) vorgesehen ist, die den Sensorsender und den Sensorempfänger jeweils nur eines der Sensoren einschaltet und zur Umschaltung zwischen den Sensoren steuerbar ist,
ferner mit einem aus dem Sensorsignal des jeweils eingeschalteten Sensors ein digitales Empfangssignal (W) bildenden Signalwandler (104),
und mit einem Rechenwerk (106), das aus dem Empfangssignal (W) ein der Kantenlage (Z) der Warenbahn (110) zugeordnetes Fühlerausgangssignal (S) berechnet, das zur Steuerung einer Bahnführungseinrichtung geeignet ist,
dadurch gekennzeichnet,
mit mindestens zwei Ultraschallsensoren (1, 2, 3, 4) aus jeweils einem Sensorsender, der kurze Ultraschallwellenimpulse ausstrahlt, und einem Sensorempfänger, der die Ultraschallwellenimpulse aufnimmt,
wobei jedem Sensor (1, 2, 3, 4) ein eigenes, von den Ultraschallwellenimpulsen auf ihrem Weg vom Sensorsender zum Sensorempfänger durchlaufenes Meßfeld (1′, 2′, 3′, 4′) zugeordnet ist und der Sensorempfänger aus den aufgenommenen Ultraschallwellenimpulsen jeweils ein vom Grad der Abdeckung seines Meßfelds durch die Warenbahn (110) abhängendes elektrisches Sensorsignal bildet, und wobei eine Schalteinrichtung (20) vorgesehen ist, die den Sensorsender und den Sensorempfänger jeweils nur eines der Sensoren einschaltet und zur Umschaltung zwischen den Sensoren steuerbar ist,
ferner mit einem aus dem Sensorsignal des jeweils eingeschalteten Sensors ein digitales Empfangssignal (W) bildenden Signalwandler (104),
und mit einem Rechenwerk (106), das aus dem Empfangssignal (W) ein der Kantenlage (Z) der Warenbahn (110) zugeordnetes Fühlerausgangssignal (S) berechnet, das zur Steuerung einer Bahnführungseinrichtung geeignet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß das Meßfeld (1′, 2′, 3′, 4′) jedes Sensors (1, 2, 3, 4) in Breitenrichtung (112) der Warenbahn (110) in der Weise begrenzt ist, daß es die Erfassung des Bereichs zwischen zwei Randkantenlagen (1001, 1002 bis 4001, 4002) ermöglicht, die Empfangssignale (W) mit auf der einen Seite des Meßfelds maximalem und auf der anderen Seite minimalem Grenzwert (Wmax, Wmin) zur Folge haben, und daß die Sensoren eine gegenseitige räumliche Anordnung besitzen, in der diese Meßfelder (1′, 2′, 3′, 4′) in Breitenrichtung der Warenbahn lückenlos aneinander gereiht sind,
- b) daß ein vorwärts und rückwärts zählendes Zählwerk (116) vorgesehen ist, das mindestens so viele mögliche Zählerstände besitzt wie Sensoren (1 bis 4) vorhanden sind, wobei die Sensoren in der durch die Reihung ihrer Meßfelder (1′ bis 4′) bestimmten Reihenfolge den Zählerständen zugeordnet sind, und daß das Zählwerk (116) die Schalteinrichtung (20) für die Sensoren so steuert, daß der dem jeweiligen Zählerstand zugeordnete Sensor eingeschaltet ist,
- c) daß eine Komparatorschaltung (118) vorgesehen ist, die den sich für eine aktuelle Kantenlage (Z) ergebenden Wert (W) des Empfangssignals mit den den Randkantenlagen des eingeschalteten Sensors zugeordneten Grenzwerten (Wmax, Wmin) vergleicht und bei Überschreitung des maximalen bzw. Unterschreitung des minimalen Grenzwertes das Zählwerk (116) vorwärts oder rückwärts auf denjenigen Zählerstand umschaltet, der dem in der Reihung der Meßfelder (1′ bis 4′) jeweils nächsten Sensor (1 bis 4) zugeordnet ist,
- d) daß ein Eichdatenspeicher (108) vorgesehen ist, in dem in Abhängigkeit vom eingeschalteten Sensor (1 bis 4) für das Empfangssignal (W) und für das Fühlerausgangssignal (S) Eichwerte (Wk,n, Sk,n) gespeichert sind, die zu Eichkantenlagen (zk,n) gehören, welche für Eichzwecke ausgewählt und über die Meßfelder (1′ bis 4′) aller Sensoren verteilt sind, und
- e) daß das Rechenwerk (106) mit dem sich für eine aktuelle Kantenlage (Z) ergebenden Wert (W) des Empfangssignals den aktuellen Wert (S) des Fühlerausgangssignals aus den für den eingeschalteten Sensor (1 bis 4) gespeicherten Eichwerten (Wk,n, Sk,n) errechnet.
2. Kantenfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sich jeweils benachbarte Meßfehler (1′ bis 4′)
überschneiden.
3. Kantenfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Randkantenlagen (1001 bis 4002) für jeden
Sensor (1 bis 4) zugleich Eichkantenlagen (zk,n)
und daher die zugehörigen Eichwerte (Wk,n) des
Empfangssignals gleich den für die Sensorumschaltung
maßgeblichen Grenzwerten (Wmax, Wmin) sind.
4. Kantenfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sich in jedem Überschneidungsbereich (B) der
Meßfelder (1′ bis 4′) nur eine Eichkantenlage (Z1,61
Z2,6, Z3,6) befindet, zu der zwei
Eichwerte (W1,6, W2,1 bzw. W2,6, W3,1 bzw.
W3,6, W4,1) des Empfangssignals gehören, nämlich
je eines für die beiden Sensoren, die den sich
überschneidenden Meßfeldern zugeordnet sind, und daß
diese zwei Eichwerte die Vergleichsgrößen bilden, mit
denen je nach eingeschaltetem Sensor die
Komparatorschaltung (118) das aktuelle
Empfangssignal (W) vergleicht, wobei die
Komparatorschaltung (118) eine Schalthysterese
besitzt, so daß die für die Sensorumschaltung
maßgeblichen Grenzwerte (Wmax, Wmin) sich um jeweils
ein Hystereseintervall H von den Eichwerten
unterscheiden, also der maximale Grenzwert um das
Hystereseintervall H größer und der minimale Grenzwert
um das Hystereseintervall H kleiner als der jeweilige
Eichwert ist.
5. Kantenfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (118)
zwei Komparatoreinheiten (118.1, 118.2) mit jeweils
zwei Eingängen und einem Ausgang aufweist, daß der
eine Eingang jeder Komparatoreinheit mit dem aktuellen
Empfangssignal (W) beaufschlagt ist und dem jeweils
anderen Eingang einer der Eichwerte (Wk,n, Wk,n+1)
des Empfangssignals aus dem Eichdatenspeicher (108)
aufschaltbar ist, wobei die beiden jeweils
aufgeschalteten Eichwerte (Wk,n, Wk,n+1) zu in der
Reihung der Meßfelder (1′ bis 4′) aufeinander
folgenden Eichkantenlagen (zk,n) des jeweils
eingeschalteten Sensors gehören, und daß die Ausgänge
der beiden Komparatoreinheiten (118.1, 118.2) über
zwei Gatterbausteine (119.1, 119,2) verknüpft sind,
die das Zählwerk (116) vor- und zurückstellen, wenn
das aktuelle Empfangssignal (W) größer als der größere
oder kleiner als der kleinere der beiden jeweils
aufgeschalteten Eichwerte (Wk,n, Wk,n+1) ist.
6. Kantenfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer, die Ausgänge der
Komparatoreinheiten (118.1, 118.2) verknüpfender
Gatterbaustein (119.3) vorgesehen ist, der ein das
Rechenwerk (106) freischaltendes Signal generiert,
wenn das aktuelle Empfangssignal (W) im Intervall
zwischen den beiden jeweils aufgeschalteten
Eichwerten (Wk,n, Wk,n+1) liegt.
7. Kantenfühler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Zählwerk (116) einen von den
Gatterbausteinen (119.1, 119.2) unmittelbar
geschalteten ersten Vor-/Rückwärtszähler (116.1) und
einen davon geschalteten zweiten
Vor-/Rückwärtszähler (116.2) aufweist, von welchen der
erste Zähler (116.1) so viele Zählerstände besitzt wie
je Sensor (k) Eichkantenlagen (zk,n) vorhanden sind,
die gemäß ihrer Reihenfolge im Meßfeld (k′) den
Zählerständen zugeordnet sind, und der zweite
Zähler (116.2) mit seinen Zählerständen die
Schalteinrichtung (20) für die Sensoren (1 bis 4)
steuert, wobei der erste Zähler (116.1) bei
Überschreitung der Zählerstandsgrenzen sich selbst
zurücksetzt und den zweiten Zähler (116.2) um jeweils
einen Zählerstand weiterschaltet, und wobei im übrigen
beide Zähler (116.1, 116.2) gemäß ihren Zählerständen
einen Adressdecoder für den Eichdatenspeicher (108)
steuern.
8. Kantenfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß jedem Sensor (1 bis 4) dieselbe Anzahl von
Eichkantenlagen (zk,n) zugeordnet ist.
9. Kantenfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß im Eichdatenspeicher (108) für
jeden Sensor (k) und jede Eichkantenlage (zk,n)
Eichwerte (mk,n) für einen Proportionalitätsfaktor
gespeichert sind, die den den Eichkantenlagen (zk,n)
entsprechenden Eichwerten (Wk,n, Sk,n) für das
Empfangs- bzw. Fühlerausgangssignal zugeordnet sind,
und daß sich für eine aktuelle Kantenlage (Z) der
Wert (S) des Fühlerausgangssignals aus dem Wert (W)
des Empfangssignals nach den Gleichungen
errechnet, worin Wk,n, Sk,n und Wk,n+1, Sk,n+1
für den k-ten Sensor die Eichwerte für das Empfangs- bzw.
Fühlerausgangssignal in der n-ten und (n+1)-ten
Eichkantenlage und mk,n den den Eichwerten Wk,n,
Sk,n zugeordneten Eichwert des
Proportionalitätsfaktors bedeuten.
10. Kantenfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rechenwerk (106) ein die Differenz (Wk,n-W)
bildendes Subtrahierglied (106.1)′ ein das Produkt
mk,n * (Wk,n-W) bildendes
Multiplizierglied (106.2) und ein die Summe Sk,n + mk,n * (W-Wk,n)
bildendes Addierglied (106.3)
aufweist.
11. Kantenfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Senderspannung der
Sensoren (1 bis 4) ein Spannungsgenerator (107)
vorgesehen ist, bei dem die Größe der erzeugten
Senderspannung verstellbar und auf eine für jeden
Sensor eigene Eichspannung einstellbar ist, mit der
die von den Sensoren bei freiem Meßfeld (1′ bis 4′)
erzeugten Empfangssingale (W) jeweils gleich groß
sind, und daß mit den Sensoren (1 bis 4) zugleich
deren Eichspannungen umschaltbar sind.
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Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8368 | Opposition refused due to inadmissibility | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |