Brevet FR2599840A1 — publié le 19871211

i Procédé et appareil pour mesurer, sans contact, la tension existant dans une feuille plane et notamment une bande continue de papier La présente invention concerne un procédé pour 5 mesurer la tension présente dans une membrane plane et mince, selon lequel une rafale d'une onde demembrane est produite par un élément transducteur, par exemple un haut-parleur, on mesure la vitesse de l'onde de membrane,et on élève au carré la valeur de mesure de la vitesse de l'onde de membrane et on la 10 multiplie par le poids de base de la membrane de manière à déterminer la tension présente dans la-membrane, notamment pour réaliser la mesure, sans contact, de la tension dans une bande de papier continue. En outre l'invention concerne un appareil pour 15 la mise en oeuvre du procédé. Dans le domaine des machines à papier et des machines d'impression, l'appareillage de mesure de la tension et de la distribution de la tension dans la bande de papier continue joue un rôle tout à fait décisif pour ce qui con20 cerne la fiabilité du fonctionnement de la machine. Il est difficile d'anticiper des ruptures de la bande et ceci entraîne des coups additionnelsconsldérables, en particulier en raison du fait que les vitesses des bandes dans les fabriques de papier augmentent continuellement, la vitesse de la bande atteignant 25 100 km/h. A cet égard, il serait extrêmement nécessaire de disposer d'un appareil de mesuré de la tension des bandes, en particulier si l'on doit mesurer la distribution de la tension dans la direction transversale de la machine, étant donné que l'expérience pratique montre que le profil de tension peut 30 passer de pics très élevés à des creux très accuses. Si l'on dispose de l'information relative à la tension sous la forme d'un signal électronique, il est possible de ré gler de façon correspondante le fonctionnement de la machine par exemple en cherchant à éviter des ruptures de la bande. 35 Actuellement les procédés préférés sont basés sur par exemple la commande des différences des vitesses de rotation entre les rouleaux, mais compte tenu du glissement, ce procédé de commande de la vitesse de rotation ne peut pas fournir directement une information relative à la tension présente dans la bande. Actuellement il est possible de réaliser une mesure de la tension dans une bande selon trois procédés différents. Le premier procédé est basé sur la formation d'un renfoncement dans la bande par soufflage d'air comprimé, avec me10 sure ultérieure de la profondeur du renfoncement. Selon le second procédé, on mesure la force de traction mutuelle entre les rouleaux à l'aide de transducteurs de force montés sur les arbres des rouleaux. Le troisième procédé utilise des ondes de surface circulant dans la bande et qui sont détectées par 15 des microphones installés à proximité de cette dernière. Ce procédé est décrit de façon plus détaillée dans la publication de brevet finlandais 62 419. Conformément à ce brevet, on produit dans la bande, par exemple à l'aide d'un haut-parleur, des ondes de membranequi se propagent dans la direction de mise en tension, à la fois dans la direction de circulation de la bande ainsi que dans la direction opposée. La vitesse de cette onde de membrane est alors utilisée pour déterminer la tension dans la bande, selon une formule connue en physique et qui exprime la tension proportionnellement au produit de la vitesse de 25 l'onde de membrane élevée au carré, par le poids de base de la bande. La vitesse de l'onde de surface peut être mesurée à l'aide de microphones mon:és à une distance prédéterminée par rapport à la source sonore, ce qui permet de déterminer le temps de propagation de l'onde de surface. Selon ce procédé 30 on utilise des vibrations se situant dans la plage des fréquences acoustiques, comme par exemple des rafales à une fréquence de 400 Hz. Un procédé basé sur l'utilisation d'ondes de membrane est également décrit dans la publication de brevet US 3 854 329. Contrairement au procédé finlandais, 35 cette publication décrit un procédé basé sur l'utilisation de vibrations ultrasonores. Lepremier procédé utilisant un soufflage d'air comprimé s'est avéré assez imprécis étant donné que conformément à ce procédé, on dispose la buse à proximité immédiate de la bande de papier, le risque de déchirement est grand. Le second procédé basé sur la mesure de la force de traction mutuelle entre les rouleaux est utilisé d'une manière relativement répandue, mais ses inconvénients résident par exemple dans une réponse lente étant donné que les 10 masses des rouleaux s'élèvent à quelques centaines de kilogrammes. En réalité avec ce procédé on mesure l'équivalent de la tension intégrée sur l'ensemble de la largeur de la bande, ce qui ne fournit par exemple aucun profil de tension défini. En outre les pics de tension, qui entraînent une rupture de 15 la bande, restent non détectés. Selon le troisième procédé conforme au brevet finlandais, compte tenu de l'utilisation du signal à fréquence acoustique, les microphones doivent être également accordés sur la même plage de fréquences, ce qui introduit des pro20 blèmes considérables en ce qui concerne le rapport signal/ bruit étant donné que, comme cela est connu, dans l'environnement d'une machine de fabrication du papier, il apparaît un bruit acoustique extrêmement élevé, en particulier dans cette plage de fréquences, ce qui entraîne par exemple une surchar25 ge des microphones. En outre la détection d'un signal de rafale par des microphones entraîne également la détection du signal acoustique direct dé6.ivré par le haut-parleur à travers l'air, ce qui perturbe fortement la mesure. D'autre part les essais pratiques de mise en oeuvre du procédé conformément à 30 la publication de brevet US mentionnée plus haut indique que les ondes de membrane ne peuvent pas se propager dans la plage ae. fréquences ultrasonores, ce qui rend impossible le fonctionnement d'un appareil conforme à ce brevet US. La présente invention a pour but de résoudre les 35 inconvénients liés à la technologie de l'art antérieur, décri- te ci-dessus et de fournir un procédé et un appareil entièrement nouveaux permettant une mesure, sans contact, de la tension dans une bande de papier. L'invention est basée sur l'emploi d'une onde de membrane, produite à une fréquence appropriée dans la bande de papier à l'aide d'un haut-parleur ou d'un dispositif équivalent, tandis que la vitesse de propagation de l'onde est détectée par des détecteurs optiques montés à proximité de la bande de manière à détecter la vibration physique de cette dernière lorsque l'onde 10 de membrane passe par le point d'observation. Comme la distance entre le point de détection optique et l'origine de l'onde est connue, on peut calculer de façon précise la vitesse de l'onde à partir du temps de propagation mesuré. En pratique, on utilise deux points de détection optique dont l'écartement est connu. 15 De façon plus spécifique, le procédé conforme à la présente invention est caractérisé en ce que - un faisceau lumineux est produit par au moins un élément émettant une lumière; - chaque faisceau lumineux est dirigé, au moyen d'organes 20 directifs sur la membrane de manière à produire un spot lumineux; - le spot lumineux formé sur la membrane est converti en un signal électrique dépendant de la position du spot lumineux, au moyen d'au moins un élément détecteur, afin de déterminer l'onde de membrane; et - le signal est traité dans un élément de traitement,ce qui permet de déterminer la vitesse de l'onde de surface. En outre l'appareil conforme à la présente invention pour mesurer la tension d'une membrane mince et plane, qui comprend un élément transducteur, par exemple un haut-parleur, servant 30 produire une onde de membrane, est caractérisé par: - un élément émettant une lumière, que l'on peut utiliser pour produire un faisceau de lumière; - des organes directifs, à l'aide desquels le faisceau lumineux peut être dirigé sur la membrane pour former un spot lumineux, - au moins un élément détecteur, à l'aide duquel le spot lumineux peut être converti en un signal électrique dépendant de la position du spot lumineux de manière à déterminer l'onde de membrane, et - des éléments appropriés permettant de traiter le signal électrique mentionné précédemment de manière à déterminer la vitesse de l'onde de membrane. L'invention fournit des avantages remarquables. 10 Le procédé et l'appareil conformes à la présente invention suppriment toutes les perturbations de l'environnement dues au bruit et tout son direct délivré par le haut-parleur. Le procédé de détection optique améliore ainsi considérablement le rapport signal/bruit et permet d'utiliser l'appareil même dans des conditions o le procédé de l'art antérieur ne serait absolument d'aucune utilité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une vue en élévation latérale schématique partielle d'un appareil de mesure conforme à la présente invention - la figure 2 représente un détail de l'appareil de mesure représenté sur la figure 1; la figure 3 représente une vue en élévation latérale schématique d'une autre forme de réalisation de l'appareil de mesure conforme à la présente invention; - la figure 4 représente une vue en perspective partiellement éclatée d'une troisième forme de réalisation de 30 l'appareil de mesure conforme à la présente invention; - la figure 5 représente une vue en élévation latérale d'une quatrième forme de réalisation de l'appareil de mesure conforme à la présente invention, dans laquelle l'onde de membraneest rendue visible à l'aide d'une plaque de ver35 re produisant des interférences; et - la figure 6 représente un détail de l'appareil représenté sur la figure 5. La figure 1 représente une forme de réalisation possible pour la mise en oeuvre d'un appareil conforme à l'in5 vention. A l'aide d'un laser à hélium-néon 5 et de miroirs semi-réfléchissants, on forme des spots lumineux vibrants 4 sur une bande de papier continue 1, en dirigeant le faisceau laser, à l'aide de miroirs6, perpendiculairement à la surface de la bande de papier 1. On utilise un haut-parleur 3 pour 10 produire une rafale acoustique qui produit dans la bande de papier 1 une onde de membrane 2 qui se propage à une vitesse, qui est fonction de la racine carrée de la tension de la bande. L'onde de membrane 2 se propage vers l'extérieur à partir du haut-parleur 3, sur les deux côtés de la source 15 sonore 3. La Dosition des spots lumineux vibrants 4 sur la bande est détectée par un détecteur de position 8, dont l'axe optique fait un angle avec un faisceau 10 focalisé sur la bande, et le spot lumineux 4 est focalisé sur le détecteur 8 à l'aide d'un système optique approprié 7. La figure 2 représente de façon plus détaillée la formation de l'image des spots lumineux p et p' sous la forme de spots images P et P' dans un plan image 11. Lorsque la bande 1 est déplacée, par la vibration, de sa position d'équilibre p Dour venir dans une nouvelle position p', la posi25 tion du spot image P est déplacée simultanément -ans le plan image 11 pour être amenée dans la position P'. Le détecteur de position 8 détecte le déplacement du spot lumineux 4, provoqué par l'onde de membrane 2, sous la forme d'un signal périodique dont la fréquence est égale à la fréquence de l'onde de membrane 2. Le spot image déplacé est représenté sur les figures par une ligne formée de tirets. Le signal de sortie du détecteur de position 8 est envoyé à un ensemble électronique 9, dans lequel le signal obtenu est utilisé pour déterminer la vitesse de propagation de l'onde de membrane 2, à partir de laquelle on peut calculer la tension de la bande 1. Dans la forme de réalisation la plus simple, la vitesse de l'onde 2 peut être définie avec un seul détecteur 5 8. Ceci requiert une information obtenue à partir de la vitesse de la bande. La vitesse de l'onde peut être mesurée par le rapport de la distance entre la sources acoustique 3 et les détecteurs 8, à la durée de propagation de l'onde 2 sur cette distance. La figure 1 représente lesdispositifsà miroir, qui fournissent un ensemble de quatre spots lumineux 4 sur la bande 1. Grâce à l'utilisation d'un second détecteur 8 en liaison avec le spot lumineux 4 qui est le plus proche du laser 5, on obtient des avantages supplémentaires. On 15 peut alors détecter les ondes de membrane 2 se propageant dans des directions opposées. En mesurant les vitesses des deux ondes 2 de la manière mentionnée précédemment et en formant la moyenne arithmétique de ces vitesses, on peut supprimer l'effet de la vitesse de la bande 1 dans les mesures. La figure 3 représente un agencement, dans lequel le faisceau lumineux est dirigé obliquement à partir de la source de lumière 5 vers la bande de papier 1, et dans lequel également l'axe 'optique du détecteur de position 8 est oblique par rapport à la bande de papier 1. Dans la pratique, 25 l'angle de l'axe optique à la fois de la source de lumière 5 et du détecteur 8 par rappor. à la bande de papier 1 peut être choisi dans une gamme étendue, en fonction des circonstances. La figure 4 montre un appareil, dans lequel trois spotslumineux 4 sont formés sur la bande 1 de sorte que 30 le laser 5 produit en premier un faisceau lumineux qui est guidé par l'intermédiaire d'un premier prisme 12 et d'un second prisme 13 sur les trois miroirs semi-réfléchissants 6. Les miroirs 6 dirigent le faisceau lumineux 10 selon un angle oblique par rapport à la surface de la bande de papier 1. Le haut35 parleur 3 produit une onde de Tembrane2 sur la bande de papier 1. L'onde 2 provoque un déplacement vertical de la bande 1, qui entraîne en outre un déplacement horizontal du spot lumineux 4. La déviation est détectée par un détecteur de position 8, qui comporte également le système optique requis pour focaliser le spot lumineux 4 sur le capteur du détecteur. Il existe trois détecteurs 8, dont l'axe optique de chacun est perpendiculaire à la bande de papier 1. Les détecteurs 8 sont placés de telle sorte qu'ils sont situés sur la même droite par rapport à la direction d'avance de la bande de papier 1 10 de la machine, et un détecteur 8a est situé en amont du hautparleur 3 dans la direction d'arrivée de la bande 1 et les deux autres détecteurs 8b,8c sont situés en aval du haut-parleur 3, dans la direction d'avance de la bande. Grâce à la présence des interrupteurs 8a et 8b, cet agencement permet d'éliminer 15 l'effet de la vitesse de la bande 1 sur le résultat de la mesure, de la manière décrite précédemment. Le détecteur 8c agit, en coopération avec le détecteur 8b, de telle sorte que l'on peut utiliser une méthode de corrélation connue en mathématiques pour déterminer la vitesse de l'onde de membrane. Selon 20 cette méthode, l'onde demembrane 2 se propageant dans la direction de déplacement de la bande 1 à partir du haut-parleur 3 produit un signal dans le détecteur 8b. Au bout d'un instant, le détecteur 8c détecte le même signal (ou presque le même signal). Les deux signaux sont mémorisés dans une mémoire, par 25 exemple une mémoire à l'état solide. Comme cela est décrit plus haut, les unités de mémoire enregistrent ainsi deux fonctions dépendant du temps, qui ont des formes presque similaires. Une fonction de corrélation croisée est alors formée à partir des fonctions grâce à l'utilisation par exemple d'un ordina30 teur. Le rapport de la distance entre les détecteurs 8b et 8c au décalage temporel T fourni par la fonction de corrélation fournit la vitesse (non corrigée de la vitesse de la bande) de l'onde de membrane 2. La méthode décrite est particulièrement avantageuse lorsque la forme de l'onde de membrane est per35 turbée, auquel cas des méthodes plus simples sont inefficaces. La figure 5 montre une autre forme de réalisation, dans laquelle la lumière produite par un laser 5 est étalée dans un dispositif élargisseur de faisceau 14 et est collimatée par une lentille - condenseur 15 sous la forme d'une onde plane cohérente 16. L'onde plane 16 tombe sur une plaque de verre polie 17 en forme de coin, o l'onde plane, lorsqu, elle est réfléchie sur chaque surface de la plaque de verre 17, se compose d'un diagramme d'interférence en forme de peigne 19 qui est projeté obliquement sur la bande de papier]0 1. Les variations de surface apparaissent alors comme des mimima et des maxima du diagramme d'interférence projeté, qui peuvent être détectés à l'aide, par exemple, d'une caméer linéaire 18. Le laser à l'hélium-néon utilisé en tant que sour15 ce de lumière dans les formes de réalisation des figures 1 à 3 peut être remplacé par exemple par une lampe à diode LED de forte puissance (émetteur à l'état solide ou source de lumière équivalente), qui possède de faibles dimensions, et dont la lumière peut être focalisée sous la forme d'un spot suffi20 samment petit sur la bande de papier 1. Cependant le procédé servant à produire un petit spot lumineux n'est pas essentiel pour l'invention et n'apporte aucune nouveauté dans cette dernière. En outre des détecteurs de position sont disponibles dans le commerce et par conséquent leurs caractéristiques ne seront pas décrites ici-de façon plus détaillée. La source acoustique utilisée peut être par exemple un haut-parleur, un sifflet à air comprimé ou un dispositif équivalent. Ces différentes solutions sont des solutions standards étant donné que les fréquences utilisées sont de l'ordre de 100 à 500 Hz. La présente invention peut être utilisée non seulement pour la mesure de la tension dans une bande de papier, mais pourla mesure de la tension dans d'autres matériaux en forme de feuilles minces. L'appareil de mesure est applicable notamment à la mesure d'une tension dans des films plasti35 ques et des feuilles métalliques très minces. L'avantage du procédé réside dans le fait que, conformément à la formule physique utilisée, le module d'élasticité (module de Young) du matériau n'a aucune influence sur la mesure, mais qu'au contraire la vitesse de l'onde de membrane ne dépend que du poids de base de la membrane utilisée et de la tension de la feuille. L'appareil de mesure peut être utilisé non seulement dans- des machines de fabrication du papier, mais dans des cisailles de mise à longueur, des presses de calibrage à 10 frappe et des machines d'impression. En outre l'invention peut être appliquée à des machines destinées à fabriquer des bandes magnétiques à base de matière plastique ou bien des feuilles métalliques très minces. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer la tension présente dans une membrane plane et mince (1), selon lequel - une rafale d'une onde de membrane (2)est produite par un élé5 ment transducteur (3), par exemple un haut-parleur, on mesure la vitesse de l'onde de membrane (2), et - on élève au carré la valeur de mesure de la vitesse de l'onde de membrane (2) et on la multiplie par le poids de base de la membrane (1) de manière à déterminer la tension présente 10 dans la membrane, caractérisé en ce que - un faisceau lumineux (10) est produit par au moins un élément (5) émettant une lumière, - chaque faisceau lumineux (10) est dirigé, au moyen d'orga15 nes directifs (6 ou 15,15,17), sur la membrane (1) de manière à produire un spot lumineux (4 ou 19), - le spot lumineux (4 ou 19) formé sur la membrane (1) est converti en un signal électrique dépendant de la position du spot lumineux (4 ou 19Y, au moyen d'au moins un élé20 ment détecteur (8 ou 18), afin de déterminer l'onde de membrane (2); et - le signal est traité dans un circuit de traitement (9) ce qui permet de déterminer la vitesse de l'onde de membrane (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caracté25 risé en ce que l'élément (5) émettant une lumière est un laser. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (5) émettant une lumière est une diode photoémissive ou un émetteur à l'état solide équivalent. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau lumineux (10) est dirigé en étant approximativement perpendiculaire au plan de la membrane (1) de manière à détecter la position du spot lumineux (4) dans le plan vertical à l'aide de l'élément dé35 tecteur (8). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau lumineux (10) est dirigé obliquement par rapport au plan de la membrane (1) de manière à permettre la détection de la déviation du spot lumineux (4), produite par l'élément détecteur (8). 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau lumineux émis par le laser (5) est élargi par un dispositif (14) d'élargissement de faisceau et est collimaté par une lentille - condenseur (15) de maniè10 re à produire une onde plane cohérente (16) qui est dirigée sur une plaque de verre (17) en forme de prisme produisant des interférences, de manière à diriger la lumière, qui a été amenée à interférer, sur la membrane (1), et qu'on utilise une caméra linéaire (18) pour produire un signal électrique à par15 tir du diagramme d'interférence (19) formé sur la membrane en forme de bande continue. 7. Appareil pour mesurer la tension dans une membrane plane et mince (1), comportant un élément transducteur (3), par exemple un haut-parleur, servant à produire une onde 20 de membrane (2): caractérisé par - un élément (5) émettant une lumière, que l'on peut utiliser pour produire un faisceau de lumière (10), - des organes directifs (6 ou 14,15,17), à l'aide desquels le 25 faisceau lumineux (10) peut être dirigé sur la membrane (1) pour former un spot lumineux (4 ou 19), - au moins un élément détecteur (8 ou 18), à l'aide duquel le spot lumineux (4 ou 19) peut être converti en un signal électrique dépendant de la position du spot lumineux (4 30 ou 19) de manière à déterminer l'onde de membrane(2), et - des éléments appropriés (9) permettant de traiter le signal électrique mentionné précédemment de manière à déterminer la vitesse de l'onde de membrane (2). 8. Appareil selon la revendication 7, caracté35 risé en ce qu'on utilise un laser en tant qu'élément (5) pro- duisant une lumière. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément (5) émettant une lumière est une diode photoémissive ou un émetteur à l'état solide équivalent. 5 10. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'appareil comporte un dispositif élargisseur de faisceau (14) et une lentille - condenseur (15), à l'aide desquels on peut former une onde plane cohérente (16), et une plaque de verre (17), à l'aide de laquelle l'onde plane 10 (16) peut être dirigée sur la membrane (1) de manière à produire un diagramme d'interférence (19) associé à l'onde de membrane (2)et une caméra linéaire (18), à l'aide de laquelle le diagramme d'interférence (19) peut être converti en un signal électrique.