專利名稱：紙卷硬度的定量測試裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及造紙測定設備，尤其涉及一種能獲得紙卷硬度的可重現(xiàn)和定量測量值的紙卷硬度測試器。
在造紙業(yè)中，制好的紙卷的硬度在軸向上保持在一均勻的程度是重要的，因為該硬度表示整個制造過程的均勻性。在現(xiàn)代造紙設備上，卷成的紙卷其直徑可以約為100英寸或更大，其長度約為200到300英寸或更大。即使是用于印刷的經(jīng)縱切并再卷繞的紙卷，其直徑也可以約為40英寸或更大，其長度約為36到72英寸。為了測量在制造過程中的均勻性，也在印刷過程中作為紙張的性能的一種預測，測試這些紙卷的硬度和在整個紙卷長度上的硬度的均勻性是有用的。
一種已經(jīng)長時間應用的手持測試裝置曾描述在授與普法伊弗的美國專利3，425，267中，這種裝置在此處常常稱為Rho測試儀。它利用了測量一個具有已知質(zhì)量的撞錘的峰值負加速度值的原理，該撞錘在一具有已知彈性系數(shù)的彈簧推動力下從一固定的高度徑向投射到卷繞的紙卷上。因此，美國專利3，425，267提供了一個用已知速度的撞錘擊卷繞的紙卷的峰值負力加速度的讀數(shù)。硬度值用Rho單位(源自希臘字母ρ，用以表示密度)表示，該單位是在造紙業(yè)中廣泛接受的一種獨立的標度。雖然該儀器如果正確使用時，能給出有再現(xiàn)性的結(jié)果，但是，它也存在一些困難，特別是在大容積使用的場合則困難更大。
在使用美國專利3，425，267中敘述的Rho測試儀中，保證該儀器與被測試的紙卷精確地對準是非常重要的，以便裝置在其上與紙接觸的各導板精確地在撞錘的中心線中與紙卷相切。如果這些導板不是與該紙卷相切，或者該切線不在撞錘的中心線上，則撞錘的力就不會垂直于紙卷，因而不能獲得所希望得到的撞擊速度，導致不正確的讀數(shù)。
美國專利3，425，267中介紹的裝置的另一困難是用一彈簧型機構(gòu)控制撞錘對紙卷的撞擊，并且由該機構(gòu)施加的力部分地與該裝置的觸發(fā)器被驅(qū)動的速度有關(guān)。因此，使用者必須慢慢地并以一恒定的速度拉該觸發(fā)器，以便從每次的讀數(shù)和每天的讀數(shù)中都能獲得有再現(xiàn)性的結(jié)果。
由于該系統(tǒng)利用一彈簧驅(qū)動一塊體，所以它是定向靈敏的。在最好的形式中，該裝置必須使撞錘的運動精確地垂直的情況下使用，以消除由于對塊體受引力引起的速度變化。因此，連續(xù)使用該裝置的能力和根據(jù)它規(guī)定的操作模式必須假定操作者能達到接近紙卷的最頂部為前提。當測試40英寸的紙卷時，做到這一點也許不困難，但當紙卷的直徑為六英尺、八英尺或更大時，在預期的儀器定向上獲取讀數(shù)便可能成為問題。
最后，在美國專利3，425，267敘述的裝置中構(gòu)造成在一個模擬的測量儀上鎖定最后測試的讀數(shù)，而該模擬測量儀則為該儀器的一個整體部分。市場上已有這種儀器的商業(yè)型式產(chǎn)品出售，它帶有一個模擬傳動裝置，以驅(qū)動一個圖表記錄器或類似裝置，使操作者可以獲得一組讀數(shù)，并顯示一個圖表型的紙卷硬度分布圖，而不必手動記錄這些Rho數(shù)值。雖然那樣做確實方便了一些，但操作者在上述的手控步驟中仍要非常小心謹慎，以保證用一個恒定的力進行撞擊。該圖表記錄實際上比完整的成套讀數(shù)用途還小，而這些讀數(shù)則可以用圖表示或予以統(tǒng)計分析。
一種沒有美國專利3，425，267敘述的裝置中多種手控限制缺點的紙卷硬度測試裝置就是簡單的操作工的操作桿。這種裝置是一根硬木桿，操作工(在造紙機的卷繞端的操作者)常用以敲打紙卷來測量(一般是用耳聽和手模)由此產(chǎn)生的振動的頻率和振幅。操作者試圖用一個預定的力敲打紙卷，并且由操作者將操作桿撞擊紙卷所產(chǎn)生的聲音(以及由操作者的手感覺到的紙卷的振動)被操作者主現(xiàn)地理解為一種紙卷的卷緊度的測量度。這種方法所引入的測量值對于不同操作者或者即使是同一操作者在整個一天的測量中顯然會很不精確。這種方法不論怎么說都不能給出定量的值。
綜上所述，本發(fā)明的總的目的是提供一種測試如卷繞的紙卷的材料的硬度的方法和設備，該設備象操作工的操作桿一樣可極容易地進行操作，但它能給出不受操作者不可預測的行為支配的可重現(xiàn)的定量數(shù)據(jù)。
有鑒于此，本發(fā)明的一個目的是提供一種電子紙卷硬度測試裝置，該裝置可以象操作工的操作桿那樣容易操作，但它提供一個可重現(xiàn)的定量的卷紙硬度測量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一個方面，其目的是提供一個直接與Rho單位或其它的這種測量單位相關(guān)的定量測量，這種測量已被或可以被造紙業(yè)所接受。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其目的是提供一種紙卷硬度測試裝置，該裝置能繪制低卷的硬度分布圖，一個操作者便可以自由地操作該裝置，而該裝置能自動地收集所需信息并使這些信息相關(guān)，以產(chǎn)生紙卷硬度分布圖。
關(guān)于這方面，本發(fā)明的一個目的是在撞錘的一次撞擊之后，向操作者指出兩種情況之一，指示這次撞擊對于獲取硬度讀數(shù)是可接受的，或者是不可接受的，從而在指示不可接受的，先前所做一個點應當重復。
本發(fā)明的一個重要目的是允許撞錘對紙卷的撞擊力存在差異，而不會損害定量結(jié)果的再現(xiàn)性。即使撞錘做成對每次撞擊具有大體上可重復的力(如裝載彈簧的撞錘)，對于撞擊力的變化進行系統(tǒng)輸出的規(guī)范化，對在消除一組同類單位中的個別單位的機械定方面是有用的，這些單位可具有不同的撞擊力。
因此，本發(fā)明提供了一種用于決定材料的相對硬度的硬度測試器，該測試器包括一個用以撞擊紙卷并產(chǎn)生一個與該撞擊力有關(guān)的加速度信號的撞錘。由該加速度信號導出兩種信號，第一種信號與撞擊時的峰值負加速度有關(guān)，第二種信號與該撞擊的能量有關(guān)(撞擊力的定量手段)。這兩種信號配合在一計算機裝置中，該計算機裝置產(chǎn)生一個用與撞擊的能量無關(guān)的單位表示的材料硬度的響應。
本發(fā)明的一個特點是，該撞錘的操作可以象操作工的操作桿那樣簡單，其形狀象一把普通的錘子，操作者只需沿著紙卷在選定的點上敲擊紙卷，便可產(chǎn)生一個該紙卷的硬度分布圖。
關(guān)于這方面，本發(fā)明的另一特點是提供了與這種硬度測試器組合的自動裝置，這種自動裝置在操作者撞擊紙卷時用來獲取各個讀數(shù)，并且如果在任何撞擊過程中產(chǎn)生的信號不能在產(chǎn)生一個那次撞擊的分布點上被接受時，則用信號通知操作者。因此，只要通過操作者簡單地沿紙卷移動，并在選定的點上敲打該紙卷，這樣一種系統(tǒng)具有在12秒鐘之內(nèi)就可產(chǎn)生紙卷分布圖的能力。沿著該紙卷的每一次敲打便產(chǎn)生分布圖上的一個硬度點。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將通過結(jié)合附圖的詳細說明更為清楚。其中

圖1 表示作為本發(fā)明的實例的紙卷硬度測試器的兩個部件的立體圖，即手動撞錘和相關(guān)的手提式計算機;
圖2 表示帶有內(nèi)裝置加速度測試儀的撞錘操作端的示意圖;
圖3 說明一個類似的撞錘的示意圖，但它適用于自動橫向測量被測的紙卷;
圖4 說明本發(fā)明紙卷硬度測試系統(tǒng)的方框圖;
圖5 說明由不同的紙卷硬度和不同的撞擊力引起的在加速度測試儀輸出方面不同的曲線圖;
圖6 說明根據(jù)本發(fā)明制造的一個示范性儀器的輸出讀數(shù)和一個獨立但被接受的用Rho標度表示的紙卷硬度之間的相關(guān)性的曲線圖。
雖然本發(fā)明結(jié)合一些最佳實施例進行說明，但并不為這些實施例所限制。相反，本發(fā)明覆蓋所有包括在權(quán)利要求書中限定的在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)所做的變更、變型等。
現(xiàn)在參看附圖，圖1表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的裝置的兩個部件，這兩個部件用于獲得硬度測量值。該裝置20包括一個“探測器”22，它是一個錘狀裝置，適合于手握并由操作者用于撞擊紙卷。在探測器22內(nèi)的電子元件通過電纜24與一相關(guān)的手持(或帶夾)式計算器或計算機裝置26相連。如果所有用于探測器的驅(qū)動電子元件不包括在探測器中，這些附加的電子元件以及其它的顯示和控制電子元件就都包括在該輔助的計算機裝置26中。
可以看到，探測器22的構(gòu)形很象一把錘子，它包括便于操作者握持的襯以墊料的柄部32和將柄部32與頭部46相連接的頸部34。頭部36的操作端38在撞擊點40處是半球形的，以便其碰撞紙卷時不會有損壞紙卷或撕破紙的危險。
在實施本發(fā)明的操作中，下面還要詳細地說明，一個加速度測試儀安裝在頭部36內(nèi)，因而當頭部36的操作端38一撞擊紙卷，該測試儀就被激勵。該加速度測試儀產(chǎn)生用于分析最大負加速度和能量值的信號，這些信息被用以提供紙卷硬度的測量值，該紙卷硬度的測量值與用以產(chǎn)生信號的撞擊力無關(guān)。值得注意的是，本發(fā)明的最佳實施例采用了一個加速度測試儀并積分該加速度信號，以(對一恒定的質(zhì)量)獲得一個直接與沖力成比例的速度測量值。因此，從廣義上來說，本發(fā)明不必局限于將加速度測試儀用作產(chǎn)生信號的轉(zhuǎn)換器，或?qū)σ惶囟ㄐ盘栠M行積分，以獲得能量或撞擊力的測量。作為一個例子，有可能在探測器的頭部利用一個力轉(zhuǎn)換器并標定該力轉(zhuǎn)換器的輸出，以產(chǎn)生一個類似于從本發(fā)明的較佳實施中的加速度測試儀上讀出的信號。就信號處理而論，作為一個可替換的方案，用于規(guī)范最大負加速度信號的信號一般被認為是一個與撞擊力有關(guān)的信號。在它的最佳型式中，通過積分產(chǎn)生一個與速度相關(guān)的加速度信號便可很方便地獲得那個與撞擊力有關(guān)的信號。而且，一恒定質(zhì)量的速度與沖力有關(guān)，在該沖力中的速度本身也是能量的一種測量。無論如何，當那種涉及沖力的能量的信號這種廣義的術(shù)語用于本發(fā)明時，也就意味著在廣義上包含用于傳感來自頭部信號的各種可替換方案中的任何一種方案，以產(chǎn)生一個涉及該撞擊力或能量的測量。
再參看圖1，應該意識到，操作者只需要握住該探測器的柄部32并擺動它(非常象用一把普通的錘子)敲擊該紙卷。對于操作者來說，選擇所要求的沖擊點，其后保證他揮動的錘子的沖擊點垂直于所要求點處的紙卷表面是比較簡單的事情。但是，要保證每次的敲擊力相同是有困難的，并且與探測器相配合的電路裝置使得這種考慮變?yōu)椴磺‘??？偟囊笫窃谝活A定的范圍內(nèi)(大于產(chǎn)生一個能被測量的信號所必須的最小值，小于趨向于使電路過載或飽和的最大值)的力。在要求范圍內(nèi)的任何地方產(chǎn)生信號的力將產(chǎn)生兩個上面提到的信號，一個與最大負加速度有關(guān)，另一個與撞擊的沖力有關(guān)，而那些信號可用以決定紙卷的硬度，當沖擊該紙卷時，該紙卷該紙卷便使探測器產(chǎn)生負加速度。
如上所述，探測器22通過電纜24與手提式計算機26連接。在圖示的實施例中，大多數(shù)電子元件裝在手提式計算機26內(nèi)，當然，就本發(fā)明的實施而論，并不一定要這樣。在例舉的實施例中，計算機26是一個大致上呈長方形的裝置，其尺寸約與普通的手持式計算機相同，并且，最好能帶有一個可夾皮帶的夾子，因而，如果需要的話，在進行一系列測量時，只需將該裝置夾在皮帶上即可。但是，該裝置顯然須足夠小，以致于也可將它握在一只手上，而操作者使用另一只手在所需要的多個位置上敲擊紙卷，以獲得一個紙卷的硬度分布圖。
接頭41用以將探測器22與計算機相連接?？梢钥吹剑鈿?2帶有一個顯示器44，在圖示的實施例中它是一個液晶顯示器(LCD)。該LCD顯示器44專為紙卷的硬度分布圖而設計，并且有一個用以顯示一個表示橫過整個卷紙的硬度分布的條線圖46的上面部分。LCD顯示器44的下部包括一個用于前次測量的Rho值的數(shù)值用符號49表示的左面部分和顯示繪制分布圖敲擊次數(shù)的用符號50表示的部分。
在該最佳實施例中，該裝置包括一至安裝在計算機26上的指示器，如發(fā)光二極管(LED)指示器51、52。當然，如果愿意，這兩個指示器也可以安裝在探測器上。LED指示器51最好是紅色的發(fā)光二極管，發(fā)亮時表示取自先前讀數(shù)的信號不足以計算那個讀數(shù)的Rho值。因此，LED指示器51的發(fā)光向操作者指示應對前面的點再進行采樣。LED指示器52最好是綠色的，當其閃光時，表明剛才儀器獲得的讀數(shù)對于計算Rho值是可取的，即，操作者可以繼續(xù)進行下一次敲擊。
為完整性起見，還應注意到該計算機裝置包括一個電源開關(guān)54，為探測器22和計算機26上的電子元件提供電力。一個陣列的輸入按鍵95由一內(nèi)部微處理機檢測，以便操作員與系統(tǒng)通信。例如，這些按鍵中的一個可以用作發(fā)出起動紙卷分布圖操作信號的開關(guān)，向電子元件發(fā)出指示，告知紙卷的一系列信號即將到來。其它一些按鍵可用以例如使內(nèi)部微處理機執(zhí)行對收集的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。在本發(fā)明目前最佳實施例中，計算器26的前板是一塊市場上可買到的計算機裝置，該裝置包括一個陣列的按鍵、顯示器、能驅(qū)動那些電子元件并完成其它的計算機操作的微處理機和用以與其它裝置通信的標準通信接口。一般安裝在計算機單元26內(nèi)的內(nèi)含式電池最好是充電型的電池。該計算機26還具有一個連接器55，它可以通過一條電纜56與一套耳機(圖1中未示出)連接。該耳機是操作者的一種工具，用以在試圖進行讀數(shù)但獲取的這些信號對于導出一個Rho值測量不適當時，發(fā)出嘟嘟聲以警告操作者。
以對圖1所示裝置的那種理解便可認識到，現(xiàn)在已向操作者提供極為方便和能直接地對紙卷作出大量的測量值的能力，無論這些紙卷是新制成的大紙卷或供印刷用的已縱切的紙卷。走近紙卷，然后用錘狀探測器的半球狀端直接敲打該紙卷，這對操作者來說是一件極為簡單的事情。該計算機將自動地從自含式加速度測試儀中獲取信號，計算出該敲擊點的紙卷硬度測量值。操作者只需要按品質(zhì)控制水平的要求，決定在幾個所要求的位置上敲擊該紙卷即可，例如，沿該紙卷的長度上每隔數(shù)英寸敲擊一次。如上所述，在一個硬度值的分布圖和連續(xù)記錄過程中，該計算機對每一次敲擊具有記錄敲擊次數(shù)的能力。該數(shù)據(jù)被保存在計算機26內(nèi)部的存貯器內(nèi)，下面將結(jié)合電路圖進行說明。操作者可以選擇將一外圍設備機打印機(未表示)連接在計算機26上，以便用它打印出分布圖或各別讀數(shù)。作為一個可替換的方案，計算機26帶有一個普通的通信接口(例如一個RS232接口)，以便它可以直接與另一裝置連接。
很明顯，在任何情況下，品質(zhì)控制檢查不僅能迅速地完成，而且，出錯的機會很少。操作者只需要肯定他是在一合適的工序接近紙卷，并當該裝置已設定為一給定紙卷的分布圖時，這個同一紙卷的所有讀數(shù)才被記錄下來。接著，只要操作員接近該紙卷，并在選定的位置敲擊該紙卷，操作者就能使該裝置獲得必要的信息，進行必要的計算，并且如果任何讀數(shù)需要重復的話，則向操作者發(fā)出信號。當所有需要檢測的紙卷的整個程序完成之后，操作者可以或者用外圍打印機打出必要的信息，或者將獲得的信息存入工廠品質(zhì)控制計算機內(nèi)，以便需要時，進行處理和顯示。現(xiàn)將會明白本發(fā)明遠勝于舊式的操作工的操作桿方面乃至Rho測量儀方面的全部優(yōu)點的原因。操作桿方法給操作者對紙卷的卷緊度的一個定性的感覺，但不能作定量記錄。Rho值測量儀給操作者以量方面的信息，但由于使用該儀器上的困難使這些信息存在一些誤差，并且要用數(shù)量充分的信息量記錄紙卷的分布圖也是不方便的。
以對裝置結(jié)構(gòu)和操作程序的那種理解，現(xiàn)在便可將注意力集中到構(gòu)成本發(fā)明的實際應用中各個元件和它們的相互關(guān)系的更詳細說明上。圖2以部分示意的形式表示撞擊探測器22的操作頭部36。該撞錘的內(nèi)部裝有一個帶有導線62的加速度測試儀60，導線62由該加速度測試儀通過柄部32延伸，以便借助于互連的電纜24與手持計算機26耦合。加速度測試儀60安裝的詳細情況未顯示。只要這么說就足夠了，即該加速度測試儀的安裝使得當操作端38撞擊一個外部物質(zhì)(如敲擊一個紙卷時)，施加在頭部36上的負加速度引起加速度測試儀60上產(chǎn)生一個成比例的信號，并通過導線62與其余的電路耦合，以便在一次敲擊過程中表示該頭部的加速度(或負加速度)。
簡單地插敘圖3，它表示了另一種可替換用的撞錘頭部36a，該頭部安裝成機械性地橫過一個待測量的紙卷來回移動，并自動地撞擊紙卷。可以看到，該變型的頭部36a安裝在一根導桿64上，并由橫向傳動的機構(gòu)66驅(qū)動。內(nèi)裝有加速儀60a的撞錘可以在紙卷上按雙向箭頭67所指的方向來回移動。彈簧機構(gòu)68通過彈簧的壓縮承載變型的頭部36a離開紙卷的位置，觸發(fā)機構(gòu)69的釋放用作釋放頭部36a，使其按箭頭70所指的方向敲擊紙卷，由此在加速度測試儀60a上產(chǎn)生一個信號，從而通過導線62a耦合到電路中進行分析。圖3中的裝置可構(gòu)造成次次都產(chǎn)生具有相對恒定力的撞擊。但是，耦合到加速度測試儀的電路最好是這里所說的那種能補償撞擊力變化的類型，該撞擊力的變化可能是由于觸發(fā)機構(gòu)釋放中的變化、在整個時間內(nèi)機械加載系統(tǒng)上的變化、彈簧的衰減和類似的原因產(chǎn)生的，因而即使該撞擊力在整個時間內(nèi)大致是相等的，在每次讀數(shù)中發(fā)生的撞擊力上的任何較小的差異都能被補償。首先就讀數(shù)的一致性而論，對于圖2所示的手持式裝置極為重要的撞擊力的補償在圖3所示的機械型式中該撞擊力的補償?shù)闹匾运坪躏@得較小。然而，即使與機械化裝置相關(guān)，當認識到甚至在機械化型式中，為了產(chǎn)生相對于給定標度的精確讀數(shù)，該系統(tǒng)也不需要進行機械校準到彼此相互一致或與一些固定標準一致的程度，才能對補償技術(shù)的重要性有進一步的理解。這種校準將通過借助涉及該撞擊沖力的的另一信號變更該最大的負加速度信號而獲得。并且，該規(guī)范化將趨向于產(chǎn)生參照一固定標度的讀數(shù)，而不產(chǎn)生根據(jù)只有特殊機構(gòu)或特定彈簧系數(shù)才有的一些隨意的和未校準標度的讀數(shù)。
圖4表示構(gòu)成本發(fā)明裝置的各元件之間的電氣的和電子的相互關(guān)系。在該圖的左上部表示了包括頭部36的撞錘探測器22，該探測器具有一個半球形的操作端38，并包括一個內(nèi)部加速度測試儀60。該加速度測試儀由導線62與附加的電子電路連接，該電路最好裝在手持式或輕便式計算機的匣殼內(nèi)。圖4表示本發(fā)明的最佳實施例，其中計算機26包括兩個元件，一個元件是自含式計算機形式的以處理機為基礎(chǔ)的單元26a，它包括輸入按鍵、顯示器、微處理機、存貯器和執(zhí)行有效的程序處理所必需的元件。計算機26所包括的另一元件是第二個專門的電子部件26b，它用來收集和預處理來自敲擊探測器的信號。顯然具有適當容量和帶有適當存貯器構(gòu)成的單個處理器也可以執(zhí)行這兩個功能。
現(xiàn)在觀察用以處理在探測器22中產(chǎn)生的信號的電路，可以看到，內(nèi)部電路元件建立了兩條用以信號在這些電子元件中流通的通道80和82。通道80用以處理撞擊過程中涉及峰值負加速度的信號，而第二條通道82用以處理涉及撞擊力的信號。涉及力的信號極方便地以撞擊能量信號的形式進行處理，該信號(下面還要說明)從敲擊過程中負加速度信號的時間積分中決定。因此，來自加速度測試儀60的信號由導線62提供給該電路，并分成兩條通道80和82(在該最佳實施例中)，第一條通道保持在撞擊過程中的一個峰值負加速度的記錄，第二通道82保持作為撞擊的能量(或撞擊力)的負加速度的時間積分記錄。當前面通道80中的信號由第二通道82中的那些信號規(guī)范化時，則發(fā)現(xiàn)對相同硬度的紙卷獲得了可重復的定量結(jié)果，該結(jié)果在一個較大的可接受撞擊力的范圍內(nèi)與該撞擊力無關(guān)。
第一信號通道80包括一個峰值檢測和保持電路組件84，它具有一個與加速度測試儀耦合的輸入和一個與一個模擬-字轉(zhuǎn)換器85耦合的輸出。該峰值檢測和保持電路84可以作為一個采樣和保持電路，該電路每當輸入以一個較高的輸入信號時總是有一個不斷地驅(qū)向更高的輸入的趨勢，但直到由線路86上的信號復位前它不能放電?？梢钥吹?，線路86由微處理機90驅(qū)動并且以在一測量過程中啟動數(shù)據(jù)采集循環(huán)之前，先將峰值檢測和保持電路84復位。
第二條通道82包括一個積分器87，最好是一個帶有輸出的模擬-積分器，其輸出饋送到一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器88。如果要求的話，該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器85、88可構(gòu)造成一個在兩條通道80和82之間的單一裝置。積分器87最好是一個安排有電容性反饋的高精密度可操作運算放大器，以便在一個撞擊過程中對所接收的來自加速度測試儀的信號提供一個精確積分?？梢钥吹?，該積分器87具有一個由微處理機90驅(qū)動的復位輸入89。積分器87和峰值檢測和保持電路84可以方便地由微處理機(在它們的相應線路86，89上)復位，為對紙卷進行撞擊作準備，以產(chǎn)生一個新的讀數(shù)。最好在指出前一撞擊已完成的加速度測試儀信號靜止一個給定時間(靜止表示它們低于閾值)之后進行復位。作為一個例子，在輸入電路84、87中檢測信號并將之在轉(zhuǎn)換器85、88中數(shù)字化之后，當該數(shù)字化轉(zhuǎn)換器指示完成了數(shù)字化過程后，該轉(zhuǎn)換器便可產(chǎn)生一個復位信號，該信號由微處理機處理，對輸入電路84、87進行復位，以便為下一次撞擊作準備。
還應注意到，輸入電路84、87最好包括一閾值確定裝置，該閾值應設定得足夠高，以便在移動或甚至擺動加速度測試儀時，保持電路處在不工作狀態(tài)，但當該探測器撞擊紙卷時，該閾值由應設定得足夠低，以便能迅速地超越該閾值。因此，操作者可以朝著紙卷擺動探測器22，不會由于其所產(chǎn)生的加速而影響檢測電子器件。但是，該閾值的設定方式是使由撞擊引發(fā)的加速度測試儀信號高于該閾值，所以被傳感。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解到，在該裝置操作方式中的微小差異能很容易地通過微處理機90的適當?shù)某绦蚣右砸?guī)定，該處理機利用示出的總線(以及在圖中中未提到的其它連接裝置)控制該輸入電路、轉(zhuǎn)換器、操作者接口指示器、顯示和外圍裝置以及系統(tǒng)操作的所有其它方面。因此，該微處理機90具有一個主輸入/輸出總線91，它與模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器85、88連接，以接收來自該轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化輸入信號。我們記得，被接收的來自模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器85的數(shù)字化輸入信號是涉及加速度的數(shù)字化輸入信號，所接收的來自轉(zhuǎn)換器88的數(shù)字化輸入信號則為涉及撞擊力或速度的數(shù)字化輸入信號。利用那些信號的方式其目的在于提供一個一致的和可重復單元的輸出信號，將結(jié)合圖5和圖6描述該單元。但是，在參看這些附圖之前，應注意到，微處理機90已在其上連接發(fā)光二極管顯示器51、52和耳機55a(由連接器55連接到該系統(tǒng)上)，這些器件曾作為操作者接口輔助裝置已結(jié)合圖1說明過。因此，該微處理機90被編程成只有獲取一個合格的讀數(shù)時才能啟亮綠色的發(fā)光二極管52，而當前一讀數(shù)被認為是不合格時就只啟亮紅色的51，并使耳機55a發(fā)出聲音，以向操作者指示獲得一個讀數(shù)、一系列讀數(shù)或紙卷硬度分布圖的進度。
圖4還說明了一對通信導接口，最好是市場上可購買得到的RS232接口，當然如果需要，也可以使用其它形式的通信連接裝置。第一個這種接口94連接在微處理機90和計算機部分26a(它包括液晶顯示器44和一陣列按鍵95)之間。按壓這陣列按鍵使信號與計算機裝置26a內(nèi)部的微處理機耦合;或在僅采用一個單臺微處理機的情況下，該信號與驅(qū)動兩個裝置的單臺微處理機90相耦合。微處理機90在決定了前次或當時敲擊檢測結(jié)果后，也能在通信總線94上傳送信息，以驅(qū)動顯示器44，或者，在計算機26a上帶有一個自含式處理機的最佳實施例中，該自含或處理機可以驅(qū)動這種顯示器。所示出的顯示器44包括表示紙卷硬度分布圖(圖1中曾提到)的條線圖，以及當時敲擊的Rho值和當時被處理的敲擊次數(shù)。
第二個RS232通信接口96也用于手持計算機裝置26和附加的外圍設備之間的連接，該外圍設備包括上面所說的手提式打印機(如圖4中所示的打印機97)，普通的微型計算機98和計算機驅(qū)動的打印機99。如上所述，手提式打印機97可以直接由計算機26a驅(qū)動，以便立刻作出一張測試結(jié)果表。對于當時紙卷硬度分布圖(以及以前貯存的紙卷硬度分布圖)的數(shù)據(jù)也可以在總線96上傳遞到標準微型計算機98，以便可運用這些數(shù)據(jù)進行附加統(tǒng)計或處理程序，以傳統(tǒng)的方式將這些數(shù)據(jù)顯示在微型計算機顯示屏幕上，并且，當需要時，也可以用打印機99打印出來。
現(xiàn)在參看圖5a和5b，該圖用以說明支持運用圖4的兩套信號通道80、82的情況，和說明兩種信息的保持和組合起到使系統(tǒng)對用以在特定裝置中獲取撞擊力的變化的任何讀數(shù)不敏感的方式。更具體地說，圖5a說明了在恒定敲擊力條件下，但對不同硬度的材料，加速度測試儀信號相對于時間的變化關(guān)系?？梢钥吹?，第一條曲線100具有一個遠低于200克的最大負加速度峰值(表示一較軟的材料，如新聞紙)，中間曲線102的峰值稍高于200克(表示中等硬度的材料，如書寫紙)，第三條曲線103具有在300克以上陡的峰值(表示更硬的材料，如高度壓光的紙料)。還可以看到，材料越軟，負加速度特性曲線的底部越寬，而較硬的材料不僅提供較高的峰值，且負加速度的作用時間越短。因此，作為一個一般的規(guī)律，可以看到，當物體的硬度增加(以一恒定的沖擊能量)時，負加速度峰值增加，而接觸持續(xù)時間減少。但是，當引入的沖擊能量進一步變化時，僅僅利用峰值和持續(xù)時間的信息來區(qū)別材料的種類是不可能的。
圖5b中顯示了給定硬度材料對于具有不同能量的敲擊的響應曲線，包括曲線105表示輕微撞擊，曲線106表示的中等撞擊和曲線107表示的強烈撞擊?？梢钥吹?，對于三種撞擊的接觸持續(xù)時間大致相等(基本上是材料硬度的函數(shù))，但是最大的負加速度值相差很大，從低于100克的輕微撞擊到約300克的強烈撞擊。因此，很顯然，如果將如圖5b所示的不同強度的撞擊施加于圖5a中所示的不同硬度的材料，就不可能迅速地區(qū)別(更談不上鑒定)這些材料的硬度差異。
根據(jù)本發(fā)明(在圖4的通道82中)確定圖5b曲線下的面積以提供撞擊能量的測量，因此，允許來自通道80的峰值信息用撞擊能量進行規(guī)范化，導致對相對紙卷硬度的定量能量無關(guān)的測量。積分圖5b中曲線相當于積分撞擊過程中加速度的曲線。因此，加速度的積分產(chǎn)生以速度表征的輸出，而這種時間積分產(chǎn)生通常稱為力沖量，即在撞擊紙卷中撞錘所消耗的能量的測量值。
因此，很明顯，在撞擊過程的整個時間中圖4電路的通道82積分加速度度測試儀產(chǎn)生的信號，其結(jié)果是撞擊沖力的積分，如圖5b所示。顯然如由曲線105所例示，輕微的撞擊提供比較小的積分值，而由曲線107所例示的一個較高的數(shù)值是由強烈撞擊所產(chǎn)生的結(jié)果。當該電路用一較低極限閾值(如100毫伏)構(gòu)成時，相當于在本發(fā)明的一個實施例中的10克的加速度，由于曲線的對稱性和對這樣閾值進行調(diào)整的有效能力，沒有造成大的誤差。
再參看圖5a，雖然對于不同硬度的每一種材料，未提供涉及不同撞擊力的一組曲線，但對圖5a和5b的比較將建議當圖5a中表示的峰值讀數(shù)由一涉及圖5b中選擇的曲線下的面積的信號修改時，產(chǎn)生一個輸出，該輸出與撞擊力的大小無關(guān)，因此，已對圖5b中表示的撞擊力差異進行規(guī)范化。
圖6表示了規(guī)范化的結(jié)果，它是一張說明Rho測量儀上的紙卷測量儀讀數(shù)(即來自美國專利3，425，267中說明的現(xiàn)有技術(shù)可接受的裝置的測量儀讀數(shù))與“測量儀讀數(shù)”即由圖4所表示的作為本發(fā)明例子的裝置得到的讀數(shù)相比較的圖表。圖表的左上角上的線性方程式是涉及測試儀讀數(shù)(Y)與Rho測量數(shù)值(X)關(guān)系的數(shù)字表達式。因此，可以看到，這個關(guān)系基本上是線性的，其中R值約為0.99。
在本發(fā)明的一個特定的實施例中，得出了關(guān)于Rho測量儀讀數(shù)與圖4電路中的通道80、82中獲得的速度和加速度信息的相互關(guān)系。該關(guān)系由下列方程式表示Ln(Rho)＝C1(Ln(V)Ln(V)+C2Ln(A)+Ln(A)+C3其中A和V(二元)的取值范圍是40＜A＜254，40＜V＜254其中Ln(Rho)＝Rho硬度的自然對數(shù)值Ln(V)＝二元速度的自然對數(shù)Ln(A)＝二元加速度的自然對數(shù)C1＝-0.147075+/-0.000687C2＝0.128536+/-0.000649C3＝4，263272+/-0.013729對于已測試的特定的測試儀，由上述方程說明的型式，其相關(guān)系數(shù)為0.987?，F(xiàn)在按本發(fā)明構(gòu)成的測試儀和現(xiàn)有技術(shù)獲取的Rho測量儀讀數(shù)之間的一致性是清楚的。但是，還應注意到，如果特定的計算機硬件結(jié)構(gòu)變化的話，對于那個特定計算機硬件結(jié)構(gòu)的測量儀輸出和通道80、82中信號之間的特定關(guān)系需要根據(jù)實驗決定。然而，通常對一個特定計算機硬件結(jié)構(gòu)將由類似于前面提出的方程式中導出那一種關(guān)系，并能重復地用于產(chǎn)生按已知標準標度的定量信息。
如上所述并在這里再次強調(diào)，到目前為止已對本發(fā)明作了完整敘述，本發(fā)明提出了不論在制造或使用工序階段的任何要求的時間內(nèi)產(chǎn)生有關(guān)紙卷成套的高精度的(并且是合理而高度密集的)數(shù)據(jù)的可能性。僅需要派遣一個操作者令他攜帶圖1中所示裝置和有關(guān)需要待測試的有關(guān)紙卷、測試的次序和每個紙卷需敲擊的次數(shù)的指令到貯放紙卷的地方就行了。
攜帶著這些指令，操作者僅需在計算機26上按上適當?shù)陌存I就可以啟動各個紙卷硬度分布圖測量程序。然后，操作者只需按預先給定的那個分布圖敲擊的次數(shù)在紙卷要求的位置上撞擊該紙卷。該裝置會繼續(xù)向操作者發(fā)出(通過使發(fā)光二極管顯示器閃光，耳機發(fā)出聲音或其它方式)有關(guān)每個讀數(shù)是否可以接受及某些讀數(shù)是否要重復的指示。在數(shù)秒鐘之內(nèi)，就可使操作者有足夠的涉及整個紙卷的硬度分布圖的信息貯存在計算機26中，隨后他可以按下一個復位鍵，為下一個紙卷啟動數(shù)據(jù)采集循環(huán)，并重復與前一紙卷相同的操作。在幾分鐘之內(nèi)，一個不太熟練的操作者就可完成多個紙卷的測試，將計算機送回到品質(zhì)控制部門，在那里這些數(shù)據(jù)可以輸入到標準品質(zhì)控制計算機系統(tǒng)，供分析和處理，提供的數(shù)據(jù)不僅比過去收集的數(shù)據(jù)精確的多，而且還可能有更大的容量和可處理性的潛力，為造紙界提供了以前不能實現(xiàn)的優(yōu)化生產(chǎn)過程的可能性。
權(quán)利要求
1.一種決定材料的相對硬度的硬度測試器，其特征在于該測試器組合包括一個用于敲擊紙卷并產(chǎn)生與敲擊有關(guān)的加速度信號的撞錘，產(chǎn)生與撞錘沖擊能量有關(guān)的信號的第一裝置，產(chǎn)生與該撞錘的峰值負加速度有關(guān)的信號的第二裝置，響應第一和第二裝置以產(chǎn)生材料的相對硬度的定量輸出指示的計算機裝置，該材料的相對硬度基本上與產(chǎn)生敲擊的力的大小無關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的測試器組合，其特征在于所述的計算機裝置還包括用以使定量輸出與預定的硬度標度相關(guān)的相關(guān)裝置和用所述單位表示材料硬度的指示器。
3.如權(quán)利要求2所述的測試器組合，其特征在于預定的硬度標度單位是Rho單位。
4.如權(quán)利要求1所述的測試器組合，其特征在于所述的撞錘包括一個錘狀頭部，該頭部固定在一根柄上，以形成一個手握錘狀裝置，該裝置象普通的錘子一樣可由操作者使用。
5.如權(quán)利要求4所述的測試器組合，其特征在于所述的撞錘包括一個用以產(chǎn)生加速度信號的加速儀。
6.如權(quán)利要求5所述的測試器組合，其特征在于它包括與加速度信號有關(guān)的閾值裝置，該裝置具有一個低于錘狀裝置擺動產(chǎn)生的加速度信號的閾值水平，但當敲擊時該閾值就被超越。
7.如權(quán)利要求1所述的測試器組合，其特征在于它還包括用以在待測材料上橫向移動的構(gòu)架裝置;用以在構(gòu)架裝置內(nèi)將撞錘安裝在與材料并列的位置上的裝置;和在構(gòu)架裝置橫向移動期間使撞錘敲擊該材料，以獲取沿該材料的多個讀數(shù)的裝置。
8.如權(quán)利要求1所述的測試器組合，其特征在于所述的材料是卷筒形材料，錘狀裝置適用于沿該紙卷的軸線大致在所述紙卷的徑向方向敲打。
9.一種測定和指示一卷繞的紙卷的相對硬度的方法，其特征在于該方法包括下列步驟用一撞錘以可在預定極限內(nèi)變化的力敲擊該紙卷，測定敲擊的沖擊力，測定敲擊過程中撞錘的峰值負加速度，綜合與敲擊的沖擊力和敲擊過程中的峰值負加速度有關(guān)的信息，以測定卷繞的紙卷在撞擊點處的定量硬度測量值，和顯示該紙卷的硬度值。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于它還包括使測定的定量紙卷硬度值與一個預定的Rho硬度標度相關(guān)的步驟，并且其中的顯示步驟包括用所述的Rho硬度標度顯示該紙卷硬度值的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于該方法還包括下列步驟在多個選定的點上敲擊紙卷，這些敲擊不需要用相同的力進行;對每次敲擊計算其可比較的Rho單位，以產(chǎn)生一個使用Rho單位的紙卷硬度分布圖，由于補償了各個敲擊之間使用的力的差異，該Rho單位的紙卷硬度分布圖是可比較的。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于敲擊步驟還包括擺動錘狀探測器使該探測器的錘狀頭部以大致垂直于紙卷表面的方向敲擊該紙卷。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于該測定步驟包括用一加速儀測量該敲擊。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于該測定撞擊能量的步驟包括將來自加速儀的信號對時間求積分。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于該測定負加速度的步驟包括測定來自加速儀的負加速度信號。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于該測定能量沖擊力的步驟還包括施加的一個足夠高的閾值以克服由錘狀裝置的擺動所產(chǎn)生的加速度儀信號，但足夠低到可以測定敲擊所產(chǎn)生的加速度儀信號的步驟。
17.一種繪制紙卷硬度分布圖的方法，其特征在于它包括下列步驟a)提供一把包含一加速度傳感器的錘狀探測器，b)擺動錘狀探測器以便在預定點敲擊紙卷，以產(chǎn)生由于敲擊紙卷所導致的有關(guān)探測器負加速度的傳感器信號，c)處理這些負加速度信號，以產(chǎn)生在敲擊點上紙卷硬度的定量測量值，該測量值實際上與敲擊力無關(guān)，d)對操作者發(fā)出信號，指出因該敲擊而發(fā)出的信號是否可接受或不可接受，e)如果該結(jié)果是不可接受的，則在前一敲擊點上重復所述的步驟b至d，f)如果該結(jié)果是可接受的，則貯存該撞擊點上的紙卷硬度測量結(jié)果，g)在附加的敲擊點上重復所述的步驟b至f，以產(chǎn)生一個沿著紙卷長度上用探測器敲擊所獲取的自動貯存的紙卷分硬度分布圖。
全文摘要
能在各種測試條件下給出每個紙卷可重現(xiàn)的定量信息的測試紙卷硬度的方法和設備，該設備可象操作工的操作桿一樣操作，僅需在硬度待測點上由用操作者所決定的在一定限度間可變力敲擊紙卷即可完成測定工作。該設備包括安裝在撞錘上與電路連接的加速儀，以產(chǎn)生涉及(a)撞錘和紙卷間沖擊能量和(b)撞錘的峰值負加速度信號。處理該信號以產(chǎn)生紙卷硬度測量值，如需要可使該測量值與通用的Rh
文檔編號G01N3/40GK1053840SQ91100378
公開日1991年8月14日 申請日期1991年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1990年1月31日
發(fā)明者理查德·J·阿當斯, 斯科特·A·鮑姆, 威廉·K·奧利弗, 戴維·R·羅伊森姆 申請人:美商貝洛特公司