DE4225113C2

DE4225113C2 - Device for monitoring a running web

Info

Publication number: DE4225113C2
Application number: DE4225113A
Authority: DE
Inventors: Juergen Braeu; Martin Zeh
Original assignee: Erhardt and Leimer GmbH
Current assignee: Erhardt and Leimer GmbH
Priority date: 1992-07-30
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2012-07-31
Also published as: DE4225113A1

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.The subject of the patent is a device for Monitoring a running web consisting of one the properties of the web to be monitored detecting and an analog electrical Detection signal supplying sensor, from a sensor downstream circuit arrangement for processing the Detection signal, further from a between the Signal output of the sensor and the signal input of a Analog / digital signal converter as low-pass filter switched on by a capacitor switching frequency Switch-controlled capacitor filter (Switched Capacitor Filter), the capacitor switching frequency (f0) the upper limit frequency of the low-pass filter determined and so on the sampling frequency (f1) of the analog / digital signal converter is tuned that the upper limit frequency of Low pass filter in a fixed ratio to the Sampling frequency is at most equal to half of the Sampling frequency is, and one with the current Material coupled incremental encoder, whose from the Speed of the web dependent output signal both the sampling frequency (f1) of the Analog / digital signal converter as well Capacitor switching frequency (f0) of the low pass filter in Controls dependence on the web speed.

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.It is known from EP 0 448 988 A1 with a sensor the properties to be monitored of an ongoing Detect web. This sensor delivers analog electrical detection signal, which in a the Sensor downstream circuitry as well is processed analogously.

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. Instead, the signal processing should be digital take place, one is required Analog / digital signal converter in which the analog signal to consecutive times sampled and the each sampled signal value is digitized. From the U.S. Patent 5,134,401 is a suitable one Circuit arrangement known in which an analog signal through a switched capacitor filter with a variable Sample rate is converted into a digital signal. The sequence of so obtained according to the sampling frequency The digital signal is then used for further signal processing subject.

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.With an analog / digital signal conversion, the Sampling frequency must be at least twice that in Analog signal contained highest signal frequencies, so no serious signal falsifications by the Signal conversion can occur. This condition comes with With the help of a so-called anti-aliasing filter that achieves one Low pass filter with such an upper cutoff frequency forms that all signal frequencies higher than half Sampling frequency can be filtered out and suppressed. A such a filter arrangement is, for example, from EP 0 178 057 B1 known for a storage oscilloscope. The Tilt frequency of the oscilloscope can be specified in fixed Frequency levels can be switched. Doing so accordingly also switched the sampling frequency, so that regardless of the frequency of tipping, always the same number of Obtain sample points across the width of the screen becomes. The filter arrangement includes several analog ones Low-pass filters with a fixed upper cut-off frequency also a digital low-pass filter with electrical controllable bandwidth. Simultaneously with the tipping frequency and the sampling frequency are also these filters switched, the cutoff frequency of each switched on filter equal to half of each sampling frequency is switched on. - Such Filter arrangement is obviously unsuitable for cases in which the sampling frequency changes continuously can.

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.Based on this state of the art, the solution at the beginning described subject of the patent that of the invention underlying task in a device for Monitoring a running web Circuit arrangement for processing the detection signal to train so that for a digital Signal processing required analog / digital conversion of the detection signal as a function of the Speed of the running web is that the Time of signal sampling with that of the Goods path covered is coupled.

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.The advantage of the invention is achieved that the incremental encoder the sampling frequency directly with the Coupled web speed, so the greater the faster the web runs. Adulteration of the However, signal conversion cannot occur because the upper cut-off frequency of the anti-aliasing filter Low pass filter in the same way as the sampling frequency is adjusted by the incremental encoder. The addition-in Within the scope of the invention Switch-controlled capacitor filter (switched capacitor Filter) is in various suitable embodiments known per se and z. B. in the company publication of National Semiconductor Corporation "MF4 4th Order Switched Capacitor Butterworth Lowpass Filter ", pages 1-13 to 1-25 described in detail, so that this there is no need for further explanations here. With these filters is the upper cut-off frequency of the Capacitor switching frequency depending on what after the Invention is used to Capacitor switching frequency from the output signal of the Derive incremental encoder and thereby surprising a simple way of continuous readjustment of the Filter cutoff frequency depending on the Realize web speed and sampling frequency.

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. One particularly preferred for its simplicity Embodiment of the invention is characterized in that the output signal of the incremental encoder from a Impulse follow with the web speed dependent pulse frequency and this pulse frequency via a frequency / frequency converter Condenser switching frequency of the low-pass filter processed becomes. The pulse frequency of the incremental encoder as Output signal delivered pulse sequence is then expediently equal to the sampling frequency of the Analog / digital signal converter.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; die einzige Figur zeigt ein Schemaschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.In the following the invention on one in the drawing illustrated embodiment explained in more detail; the only figure shows a schematic diagram of a circuit arrangement according to the invention.

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.The circuit arrangement shown in the drawing is used in a device (not shown) for monitoring a running web of material for signal processing of a detection signal which is supplied by a sensor 1 which detects the properties of the web to be monitored. The sensor output signal is an electrical analog signal. In order to be able to process the detection signal further digitally, an analog / digital signal converter 2 and between its signal input 2 'and the signal output 1 ' of the sensor 1 an anti-aliasing filter 3 is switched on. This anti-aliasing filter 3 is a low-pass filter, the upper limit frequency of which is at most equal to half the sampling frequency of the analog / digital signal converter 2 . The low-pass filter 3 consists of a switch-controlled capacitor filter (Switched Capacitor Filter), which is controlled by a capacitor switching frequency f0, which determines the upper limit frequency of the filter 3 with its frequency value and is thus tuned to the sampling frequency f1 of the analog / digital signal converter 2 that the upper limit frequency of the low-pass filter 3 is in a fixed ratio to the sampling frequency f1, namely at most equal to half the sampling frequency. In addition, an incremental encoder 4 coupled to the running web is provided, which generates an output pulse at each signal section 4 'after each run of the web, the size of which can be predetermined, so that the output signal of the incremental encoder 4 consists of a sequence of signal pulses, the pulse frequency of which is immediate depends on the speed of the web. This pulse frequency is processed on the one hand via a frequency / frequency converter 5 to the capacitor switching frequency f0 of the low-pass filter 3 and, on the other hand, forms the sampling frequency f1 of the analog / digital signal converter 2 , so that the capacitor switching frequency f0 of the low-pass filter also changes in the same way as the pulse frequency of the incremental encoder 3 and change the sampling frequency f1 of the analog / digital signal converter 2 . As a result, the upper limit frequency of the low-pass filter 3 is always at most half the sampling frequency f1, regardless of how fast the web runs and how high the sampling frequency f1 is depending on the web speed. Errors in the analog / digital signal conversion are therefore definitely excluded.

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.In particular, the device for monitoring the web can be used, for example, to read codes on the web and essentially correspond to the device described in the earlier patent application P 41 25 462.7. The sensor 1 can be a commercially available differential field plate, which detects a passing metallic signal thread, which is located on the web. Of course, in the context of the invention, however, all other sensors suitable for the position detection of edges, lines or codings on running material webs can also be used, in particular optical, capacitive, inductive or ultrasonic sensors. The incremental encoder 4 is usually a rotary encoder known in many versions. He scans the web movement with an impeller and gives a square-wave signal proportional to the distance traveled. In a practical case, the dimensions of a differential field plate used as sensor 1 with a linear signal thread resulted in a period length of 2.65 mm. At web speeds v between 0 and 200 m / min = 3333 mm / s, this results in a range of the signal frequency between f = 0 and f = (3333 mm / sec) / (2.65 mm) = 1 257.7 Hz. With one nominated on the web path Sampling once per 1 mm results in a sampling frequency between f1 = 0 and f1 = 3333 Hz. Therefore, the cut-off frequency of the low-pass filter 3 must be changed between 0 and (3333 Hz) / 2 = 1 666.5 Hz. A switched capacitor lowpass filter of the type MF4-100 from National Semiconductor Corporation is used as lowpass filter 4 , in which the capacitor switching frequency (clock frequency) f0 must be 100 times higher than the desired cutoff frequency (cut-off frequency), i.e. between f0 = 0 and 166.6 kHz. The frequency / frequency converter 5 must therefore convert the pulse frequency of the incremental encoder 4 proportionally with the proportionality factor 200, namely (166.6 kHz) / 3333 Hz, into the capacitor switching frequency.

Claims

1. Device for monitoring a running web, consisting of a sensor ( 1 ) that detects the properties of the web to be monitored and that delivers an analog electrical detection signal, from a circuit arrangement downstream of the sensor for processing the detection signal, and also from a between the signal output ( 1 ' ) of the sensor ( 1 ) and the signal input ′ ( 2 ′) of an analog / digital signal converter ( 2 ) as a low-pass filter ( 3 ) switched on by a capacitor switching frequency (f0) switch-controlled capacitor filter (switched capacitor filter), the capacitor switching frequency (f0) the upper limit frequency of the low-pass filter ( 3 ) is determined and so matched to the sampling frequency (f1) of the analog / digital signal converter ( 2 ) that the upper limit frequency of the low-pass filter ( 3 ) is in a fixed ratio to the sampling frequency (f1) and at most is equal to half the sampling frequency, and from one with the running web coupled incremental encoder ( 4 ), the output signal of which depends on the speed of the web controls both the sampling frequency (f1) of the analog / digital signal converter ( 2 ) and the capacitor switching frequency (f0) of the low-pass filter ( 3 ) as a function of the web speed.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the output signal of the incremental encoder ( 4 ) consists of a pulse train with a pulse frequency dependent on the web speed and this pulse frequency is processed via a frequency / frequency converter to the capacitor switching frequency of the low-pass filter.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the pulse frequency of the pulse supplied by the incremental encoder ( 4 ) as an output signal is the same as the sampling frequency (f1) of the analog / digital signal converter ( 2 ).