DE4225113C2 - Vorrichtung zur Überwachung einer laufenden Warenbahn - Google Patents

Description

Gegenstand des Patents ist eine Vorrichtung zur Überwachung einer laufenden Warenbahn, bestehend aus einem die zu überwachenden Eigenschaften der Warenbahn detektierenden und ein analoges elektrisches Detektionssignal liefernden Sensor, aus einer dem Sensor nachgeschalteten Schaltungsanordnung zur Verarbeitung des Detektionssignals, ferner aus einem zwischen dem Signalausgang des Sensors und dem Signaleingang eines Analog/Digital-Signalwandlers als Tiefpaßfilter eingeschalteten, durch eine Kondensatorumschaltfrequenz schaltergesteuerten Kondensatorfilter (Switched Capacitor Filter), wobei die Kondensatorumschaltfrequenz (f0) die obere Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters bestimmt und so auf die Abtastfrequenz (f1) des Analog/Digital-Signalwandlers abgestimmt ist, daß die obere Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters in einem festen Verhältnis zur Abtastfrequenz steht und höchstens gleich der Hälfte der Abtastfrequenz ist, und aus einem mit der laufenden Warenbahn gekoppelten Inkrementalgeber, dessen von der Geschwindigkeit der Warenbahn abhängiges Ausgangssignal sowohl die Abtastfrequenz (f1) des Analog/Digital-Signalwandlers als auch die Kondensatorumschaltfrequenz (f0) des Tiefpaßfilters in Abhängigkeit von der Warenbahngeschwindigkeit steuert.

Aus der EP 0 448 988 A1 ist es bekannt, mit einem Sensor die zu überwachenden Eigenschaften einer laufenden Warenbahn zu detektieren. Dieser Sensor liefert ein analoges elektrisches Detektionssignal, das in einer dem Sensor nachgeschalteten Schaltungsanordnung ebenfalls analog verarbeitet wird.

Soll statt dessen die Signalverarbeitung digital stattfinden, bedarf es eines Analog/Digital-Signalwandlers, in dem das Analogsignal zu aufeinander folgenden Zeitpunkten abgetastet und der jeweils abgetastete Signalwert digitalisiert wird. Aus der US-Patentschrift 5 134 401 ist eine dafür geeignete Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein analoges Signal durch einen Switched Capacitor Filter mit einer variablen Abtastrate in ein digitales Signal umgewandelt wird. Die so nach Maßgabe der Abtastfrequenz erhaltene Folge von Digitalwerten wird dann der weiteren Signalverarbeitung unterworfen.

Bei einer Analog/Digital-Signalwandlung muß die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein wie die im Analogsignal enthaltenen höchsten Signalfrequenzen, damit keine gravierenden Signalverfälschungen durch die Signalwandlung auftreten können. Diese Bedingung wird mit Hilfe eines sog. anti-aliasing-Filter erreicht, der einen Tiefpaßfilter mit einer solchen oberen Grenzfrequenz bildet, daß alle Signalfrequenzen höher als die halbe Abtastfrequenz ausgefiltert und unterdrückt werden. Eine derartige Filteranordnung ist beispielsweise aus der EP 0 178 057 B1 für ein Speicheroszilloskop bekannt. Die Kippfrequenz des Oszilloskops kann in fest vorgegebenen Frequenzstufen umgeschaltet werden. Dabei wird entsprechend auch die Abtastfrequenz umgeschaltet, so daß unabhängig von der Kippfrequenz immer dieselbe Anzahl von Abtastpunkten über die Breite des Bildschirms erhalten wird. Die Filteranordnung umfaßt außer mehreren analogen Tiefpaßfiltern mit jeweils fester oberer Grenzfrequenz auch einen digitalen Tiefpaßfilter mit elektrisch steuerbarer Bandbreite. Gleichzeitig mit der Kippfrequenz und der Abtastfrequenz werden auch diese Filter umgeschaltet, wobei die Grenzfrequenz des jeweils eingeschalteten Filters gleich der Hälfte der jeweils eingeschalteten Abtastfrequenz ist. - Eine solche Filteranordnung ist offensichtlich ungeeignet für Fälle, in denen sich die Abtastfrequenz kontinuierlich ändern kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik löst der eingangs beschriebene Gegenstand des Patents die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, bei einer Vorrichtung zur Überwachung einer laufenden Warenbahn die Schaltungsanordnung zur Verarbeitung des Detektionssignals so auszubilden, daß die für eine digitale Signalverarbeitung erforderliche Analog/Digital-Wandlung des Detektionssignals derart in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der laufenden Warenbahn erfolgt, daß der Zeitpunkt der Signalabtastung mit dem jeweils von der Warenbahn zurückgelegten Weg gekoppelt ist.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß über den Inkrementalgeber die Abtastfrequenz direkt mit der Warenbahngeschwindigkeit gekoppelt, also um so größer ist, je schneller die Warenbahn läuft. Verfälschungen der Signalwandlung können dabei aber nicht auftreten, weil die obere Grenzfrequenz des als anti-aliasing-Filter dienenden Tiefpaßfilters in gleicher Weise wie die Abtastfrequenz durch den Inkrementalgeber nachgestellt wird. Der dazu-im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommende schaltergesteuerte Kondensatorfilter (Switched Capacitor Filter) ist in verschiedenen geeigneten Ausführungsformen an sich bekannt und z. B. in der Firmendruckschrift der National Semiconductor Corporation "MF4 4th Order Switched Capacitor Butterworth Lowpass Filter", Seiten 1-13 bis 1-25 ausführlich beschrieben, so daß sich dazu hier weitere Ausführungen erübrigen. Bei diesen Filtern ist die obere Grenzfrequenz (Cutt-Off-Frequency) von der Kondensatorumschaltfrequenz abhängig, was nach der Erfindung dazu genutzt wird, die Kondensatorumschaltfrequenz aus dem Ausgangssignal des Inkrementalgebers abzuleiten und dadurch auf überraschend einfache Weise eine kontinuierliche Nachstellung der Filtergrenzfrequenz in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit und Abtastfrequenz zu verwirklichen.

Eine wegen ihrer Einfachheit besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Inkrementalgebers aus einer Impuls folge mit von der Warenbahngeschwindigkeit abhängiger Impulsfrequenz besteht und diese Impulsfrequenz über einen Frequenz/Frequenz-Wandler zur Kondensatorumschaltfrequenz des Tiefpaßfilters aufbereitet wird. Die Impulsfrequenz der vom Inkrementalgeber als Ausgangssignal gelieferten Impuls folge ist dann zweckmäßigerweise gleich der Abtastfrequenz des Analog/Digital-Signalwandlers.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; die einzige Figur zeigt ein Schemaschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung dient bei einer ihrerseits nicht gezeichneten Vorrichtung zur Überwachung einer laufenden Warenbahn der Signalverarbeitung eines Detektionssignals, das ein die zu überwachenden Eigenschaften der Warenbahn detektierender Sensor 1 liefert. Das Ausgangssignal des Sensors ist ein elektrisches Analogsignal. Um das Detektionssignal auf digitalem Wege weiter verarbeiten zu können, ist ein Analog/Digital-Signalwandler 2 und zwischen dessen Signaleingang 2′ und dem Signalausgang 1′ des Sensors 1 ein anti-aliasing-Filter 3 eingeschaltet. Dieser anti-aliasing-Filter 3 ist ein Tiefpaßfilter, dessen obere Grenzfrequenz höchstens gleich der halben Abtastfrequenz des Analog/Digital-Signalwandlers 2 ist. Der Tiefpaßfilter 3 besteht aus einem schaltergesteuerten Kondensatorfilter (Switched Capacitor Filter), der durch eine Kondensatorumschaltfrequenz f0 gesteuert wird, die mit ihrem Frequenzwert die obere Grenzfrequenz des Filters 3 bestimmt und im übrigen so auf die Abtastfrequenz f1 des Analog/Digital-Signalwandlers 2 abgestimmt ist, daß die obere Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 3 in einem festen Verhältnis zur Abtastfrequenz f1 steht, nämlich höchstens gleich der Hälfte der Abtastfrequenz ist. Außerdem ist ein mit der laufenden Warenbahn gekoppelter Inkrementalgeber 4 vorgesehen, der nach jedem von der Warenbahn durchlaufenen, in seiner Größe vorgebbaren Wegabschnitt am Signalausgang 4′ einen Ausgangsimpuls erzeugt, so daß das Ausgangssignal des Inkrementalgebers 4 aus einer Folge von Signalimpulsen besteht, deren Impulsfrequenz unmittelbar von der Geschwindigkeit der Warenbahn abhängt. Diese Impulsfrequenz wird einerseits über einen Frequenz/Frequenz-Wandler 5 zur Kondensatorumschaltfrequenz f0 des Tiefpaßfilters 3 aufbereitet und bildet andererseits die Abtastfrequenz f1 des Analog/Digital-Signalwandlers 2, so daß sich in gleicher Weise wie die Impulsfrequenz des Inkrementalgebers auch die Kondensatorumschaltfrequenz f0 des Tiefpaßfilters 3 und die Abtastfrequenz f1 des Analog/Digital-Signalwandlers 2 ändern. Im Ergebnis beträgt die obere Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 3 immer höchstens die Hälfte der Abtastfrequenz f1, unabhängig davon, wie schnell die Warenbahn läuft und wie hoch in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit die Abtastfrequenz f1 ist. Fehler in der Analog/Digital-Signalwandlung sind daher mit Sicherheit ausgeschlossen.

Im einzelnen kann die Vorrichtung zur Überwachung der Warenbahn beispielsweise zum Lesen von Codierungen auf der Warenbahn dienen und im wesentlichen der in der älteren Patentanmeldung P 41 25 462.7 beschriebenen Vorrichtung entsprechen. Dabei kann der Sensor 1 eine handelsübliche Differentialfeldplatte sein, die einen vorbeilaufenden metallischen Signalfaden detektiert, der sich auf der Warenbahn befindet. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung aber auch alle anderen, für die Lageerkennung von Kanten, Linien oder Codierungen an laufenden Warenbahnen geeigneten Sensoren zur Anwendung kommen, insbesondere optische, kapazitive, induktive oder Ultraschall-Sensoren. Der Inkrementalgeber 4 ist üblicherweise ein in vielfachen Ausführungen bekannter Drehgeber. Er tastet mit einem Laufrad die Warenbahnbewegung ab und gibt ein Rechtecksignal proportional dem zurückgelegten Weg. In einem praktischen Fall ergaben die Maße einer als Sensor 1 benutzten Differentialfeldplatte bei linienförmigem Signalfaden eine Periodenlänge von 2,65 mm. Bei Warenbahngeschwindigkeiten v zwischen 0 und 200 m/min = 3333 mm/s ergibt dies einen Bereich der Signalfrequenz zwischen f = 0 und f = (3333 mm/sec)/(2.65 mm) = 1 257.7 Hz. Bei einer auf den Warenbahnweg nominierten Abtastung von 1 mal pro 1 mm ergibt sich eine Abtastfrequenz zwischen f1 = 0 und f1 = 3333 Hz. Daher muß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 3 zwischen 0 und (3333 Hz)/2 = 1 666.5 Hz verändert werden. Als Tiefpaßfilter 4 dient ein Switched Capacitor Lowpass Filter des Types MF4-100 der National Semiconductor Corporation, bei dem die Kondensatorumschaltfrequenz (Clockfrequenz) f0 um den Faktor 100 höher liegen muß als die gewünschte Grenzfrequenz (Cut-off Frequenz), also zwischen f0 = 0 und 166.6 kHz. Der Frequenz/Frequenz-Wandler 5 muß somit die Impulsfrequenz des Inkrementalgebers 4 proportional mit dem Proportionalitätsfaktor 200, nämlich (166.6 kHz)/3333 Hz), in die Kondensatorumschaltfrequenz Umsetzen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Überwachung einer laufenden Warenbahn, bestehend aus einem die zu überwachenden Eigenschaften der Warenbahn detektierenden und ein analoges elektrisches Detektionssignal liefernden Sensor (1), aus einer dem Sensor nachgeschalteten Schaltungsanordnung zur Verarbeitung des Detektionssignals, ferner aus einem zwischen dem Signalausgang (1′) des Sensors (1) und dem Signaleingang′ (2′) eines Analog/Digital-Signalwandlers (2) als Tiefpaßfilter (3) eingeschalteten, durch eine Kondensatorumschaltfrequenz (f0) schaltergesteuerten Kondensatorfilter (Switched Capacitor Filter), wobei die Kondensatorumschaltfrequenz (f0) die obere Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters (3) bestimmt und so auf die Abtastfrequenz (f1) des Analog/Digital-Signalwandlers (2) abgestimmt ist, daß die obere Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters (3) in einem festen Verhältnis zur Abtastfrequenz (f1) steht und höchstens gleich der Hälfte der Abtastfrequenz ist, und aus einem mit der laufenden Warenbahn gekoppelten Inkrementalgeber (4), dessen von der Geschwindigkeit der Warenbahn abhängiges Ausgangssignal sowohl die Abtastfrequenz (f1) des Analog/Digital-Signalwandlers (2) als auch die Kondensatorumschaltfrequenz (f0) des Tiefpaßfilters (3) in Abhängigkeit von der Warenbahngeschwindigkeit steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Inkrementalgebers (4) aus einer Impulsfolge mit von der Warenbahngeschwindigkeit abhängiger Impulsfrequenz besteht und diese Impulsfrequenz über einen Frequenz/Frequenz-Wandler zur Kondensatorumschaltfrequenz des Tiefpaßfilters aufbereitet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz der vom Inkrementalgeber (4) als Ausgangssignal gelieferten Impuls folge gleich der Abtastfrequenz (f1) des Analog/Digital-Signalwandlers (2) ist.