DE10004612A1

DE10004612A1 - Einrichtung zum berührungslosen Messen von Eigenschaften einer bewegten Materialbahn aus Papier oder Pappe

Info

Publication number: DE10004612A1
Application number: DE2000104612
Authority: DE
Inventors: Ruediger Doell; Herbert Furumoto
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2001-05-17

Abstract

Bei einer Einrichtung zum berührungslosen Messen von Eigenschaften einer bewegten Materialbahn aus Papier oder Pappe mittels eines in einem Messkopf angeordneten Sensors weist der Messkopf (8) einen parallel zur Oberfläche der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe anordenbaren Saugfuß (4) und eine Blaseinrichtung (2, 3, 8) zum Einblasen von Gas zwischen der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe und dem Saugfuß (4) auf, wobei die Blaseinrichtung (2, 3, 8) das Gas derart einblasend ausgebildet ist, dass zwischen der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe und dem Saugfuß (4) das aerodynamische Paradoxon wirksam ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum berührungslosen Messen von Eigenschaften einer bewegten Materialbahn aus Pa pier oder Pappe mittels eines in einem Messkopf angeordneten Sensors, der die Bahnoberfläche nicht berührt.

Zur Messung von Eigenschaften an bewegten Papierbahnen ist bereits die Infrarot-Spektroskopie vorgeschlagen worden. Ne ben der Messung der Eigenschaften können daraus abgeleitete Signale auch zur Prozessführung bzw. Prozessoptimierung selbst herangezogen werden. Im einzelnen ist dies in der DE 196 53 477 C2 beschrieben.

Ganz allgemein muss bei spektroskopischen Messungen das Prob lem der "out-of-focus"-Lagen immer berücksichtigt werden, da sich ansonsten die Messgenauigkeit erheblich verschlechtert.

Bei spektroskopischen Messungen an schnell bewegten Papier bahnen schwankt die Entfernung zwischen Probenoberfläche und Sensor. Da die Strahlungsintensität quadratisch mit der Ent fernung abnimmt, hängt die gemessene Intensität nicht nur von der Beschaffenheit der Probe ab, was eigentlich ermittelt werden soll, sondern auch vom Abstand: Probe-Sensor. Letzte res ist als Problematik der sog. "Flatteramplituden" bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Messeinrichtung zum Messen von Eigenschaften einer bewegten Materialbahn aus Pa pier oder Pappe anzugeben, das eine besonders präzise Messung dieser Eigenschaften der Materialbahn aus Papier oder Pappe erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Messeinrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung weist die Messeinrichtung einen parallel zur Oberfläche der Materialbahn aus Papier oder Pappe anor denbaren Saugfuß und eine Blaseinrichtung zum Einblasen von Gas zwischen der Materialbahn aus Papier oder Pappe und dem Saugfuß auf, wobei die Blaseinrichtung das Gas derart einbla send ausgebildet ist, dass zwischen der Materialbahn aus Pa pier oder Pappe und dem Saugfuß das aerodynamische Paradoxon wirksam ist. Auf diese Weise kommt es zu einem stabilen Zu stand zwischen der Materialbahn aus Papier oder Pappe und der Messeinrichtung, was Abstandsschwankungen verringert bzw. verhindert. Mit der älteren, nicht vorveröffentlichten deut schen Patentanmeldung 199 23 949.5 wird ein solcher Messkopf für Messungen an gewalzten Metallbändern, insbes. Temperatur messungen an der bewegten Materialbahn, vorgeschlagen. Mit vorliegender Erfindung wurde erkannt, dass sich ein solcher Messkopf auch zur Applikation an bewegten Materialbahnen aus Papier oder Pappe und damit als "in situ"-Messeinrichtung für Eigenschaften von Papier oder Pappe eignet.

Durch die Verminderung bzw. Verhinderung von Abstandsschwan kungen wird die Messung der zu messenden Eigenschaften der Materialbahn aus Papier oder Pappe besonders präzise. Auf diese Weise wird gleichzeitig garantiert, dass Störeinflüsse durch Verschmutzungen oder Wasser auf der Materialbahn aus Papier oder Pappe entfernt werden. Es ist also möglich, die wichtigsten Störeinflüsse bei der berührungslosen Messung der Eigenschaften der Materialbahn aus Papier oder Pappe zu ver mindern bzw. zu kompensieren.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Saug fuß zumindest eine Öffnung zum Einblasen von Gas zwischen der Materialbahn aus Papier oder Pappe und dem Saugfuß auf. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Messeinrichtung einen Aufnehmer zum berührungslosen Messen der Eigenschaften der Materialbahn aus Papier oder Pappe auf, wobei zwischen dem Aufnehmer und der Gasauslassöffnung ein Messraum vorgesehen ist, in den das Gas einblasbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die Eigenschaf ten des Papiers oder der Pappe an der Stelle gemessen, an der durch die Öffnung das Gas, vorzugsweise Luft, auf die bewegte Materialbahn aus Papier oder Pappe trifft und somit definier te Abstandsverhältnisse vorliegen. Aufgrund des konstanten Fokus' ist garantiert, dass mechanische Störungen der beweg ten Materialbahn nicht wirksam werden. Durch diese Ausgestal tung ist es also möglich, die bisher auftretenden Schwingun gen der Materialbahn als wichtigste Störeinflüsse bei der be rührungslosen Messung der Eigenschaften, insbesondere einer schnellbewegten Papierbahn auf einer Papiermaschine, zu ver mindern bzw. zu kompensieren.

Bei der Erfindung ist die Messeinrichtung zur Messung der Ei genschaften der Materialbahn aus Papier oder Pappe ausgebil det. Die Messeinrichtung enthält dafür einen lichtoptischen Aufnehmer zum Zwecke der Spektroskopie. In vorteilhafter Aus gestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung zur Messung der Rauhigkeit der Materialbahn aus Papier oder Pappe ausge bildet. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfin dung ist die Messeinrichtung zur Messung von Oberflächenfeh lern der Materialbahn aus Papier oder Pappe ausgebildet.

In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Saugfuß in an sich bekannter Weise mit einem definierten Strömungswiderstand an seiner der Materialbahn aus Papier oder Pappe zugewandten Seite ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Stabilisierung der Gasströmung und damit des aero dynamischen Paradoxons erreicht werden. Dies ist besonders von Vorteil, wenn es sich speziell bei der bewegten Material bahn um dünne Papiere handelt, die einerseits mechanisch nicht stabil sind und die andererseits aufgrund ihrer Gasdurchlässigkeit einen geringen Widerstand für Sensoren bil den.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausgestaltung eines Messkopfes einer Einrichtung, der das erfindungsgemäße Prinzip zugrunde liegt,

Fig. 2 eine Abwandlung des Messkopfes gemäß Fig. 1 mit einer Gegenhalterung,

Fig. 3 eine Ausgestaltung einer Einrichtung mit zwei Teil messköpfen für Transmissionsmessungen,

Fig. 4 eine Realisierung der Einrichtung gemäß einer der Fig. 1 bis 3 für traversierende Messungen,

Fig. 5 eine Realisierung der Einrichtung gemäß einer der Fig. 1 bis 3 als Messarray,

Fig. 6 eine Ausgestaltung einer Einrichtung gemäß einer der Fig. 1 bis 3 mit Gewichtsausgleich für die Messköpfe und

Fig. 7 eine Ausgestaltung einer Einrichtung gemäß einer der Fig. 1 bis 3 mit den Messköpfen zugeordneten Mitteln zur Schonung der Papierbahn.

Fig. 1 zeigt einen Messkopf 9 zur Messung an einer Material bahn 1 aus Papier oder Pappe, wobei der Messkopf 9 Mittel zur Messung von Eigenschaften von Papier oder Pappe enthält. Zur Messung von beispielsweise optisch erfassbaren Eigenschaften weist der Messkopf 9 einen Anschluss 6 für eine Strahlungs quelle 5 für vorzugsweise optische Strahlung im vorgegebenen Wellenlängenbereich und eine geeignete Linse 11 auf, mit der die Strahlung auf eine Öffnung 7 des Messkopfes 9 ausgerich tet wird, so dass die sich darüber bewegende Materialbahn 1 gleichmäßig bestrahlt wird. Die von der Materialbahn 1 nach Wechselwirkung im Bereich 14 mit dem Papier oder der Pappe beispielsweise reflektierte Strahlung wird als gebündelte Lichtstrahlen 12 über eine Glasfaserleitung 10 zur externen Signalverarbeitung in einem Spektrometer 15 weitergeleitet.

Der Messkopf 9 hat eine Drucklufteinlassöffnung 8, durch die Druckluft in sein Inneres geblasen wird. Dabei bildet der Messkopf 9 mit Messöffnung 7 gleichermaßen einen Saugfuß 4 mit einer Luftauslassöffnung, durch die die Druckluft gegen die Materialbahn 1 aus Papier oder Pappe strömt. Zwischen dem Saugfuß 4 und der Materialbahn aus Papier oder Pappe 1 bildet sich eine durch die Pfeile 2 und 3 angedeutete Luftströmung aus.

Die Geometrie und die Materialausbildung des Saugfußes 4 so wie dessen Sollabstand von der Materialbahn 1 aus Papier oder Pappe sind derart mit der Strömungsgeschwindigkeit der zwi schen Saugfuß 4 und Materialbahn 1 strömenden Luft abge stimmt, dass es zum sog. aerodynamischen Paradoxon kommt. Das aerodynamische Paradoxon ist in Theorie und Praxis wohlbe kannt. Mit diesem Phänomen kann sich eine Luftströmung zwi schen dem frei beweglichen Saugfuß 4 und der Materialbahn 1 aus Papier oder Pappe ausbilden. Wenn der Saugfuß 4 über eine flexible Verbindung mit dem restlichen Teil der Messeinrich tung gekoppelt ist, schwebt der Saugfuß 4 über der Material bahn 1 aus Papier oder Pappe, sofern sich durch das aerodyna mische Paradoxon ein stabiles Gaspolster aufgebaut hat. Auf diese Weise stellt sich ein zeitlich stabiler, d. h. konstan ter Abstand zwischen dem Saugfuß 4 und der Materialbahn 1 aus Papier oder Pappe ein.

Die Fig. 1 gibt den prinzipiellen Aufbau des Messkopfes wie der. In Fig. 2 ist die Ausführungsform der Fig. 1 insoweit abgeändert, dass auf der anderen Seite der Materialbahn 1 ei ne Gegenhalterung 19 mit Luftströmung entlang der Pfeile 12 und 13 angeordnet ist. Die Gegenhalterung 19 ist bezüglich eines Druckluftanschlusses 18 entsprechend dem eigentlichen Messkopf 9 ausgebildet, wobei durch die Geometrie der Gesamt anordnung mit beiderseitigem aerodynamischen Paradoxon ein eventuell mögliches Flattern dünner Papierbahnen zu beiden Seiten unter Kontrolle gehalten wird.

Bekanntermaßen kann Papier bis zu einem Flächengewicht von ca. 200 g/m² durchstrahlt werden. Da eine Messung mit Durch strahlung im allgemeinen repräsentativere Ergebnisse liefert, kann auch eine Einrichtung speziell für Transmissionsmessun gen geschaffen werden.

In Fig. 3 ist eine Messeinrichtung entsprechend Fig. 1 und Fig. 2 speziell für Transmissionsmessungen weitergebildet. Dies bedeutet, dass bei einer Anordnung mit zwei Teilanord nungen entsprechend Fig. 2 in dem einen Teilmesskopf 29 die Lichtquelle 5 und in dem anderen Teilmesskopf 39 der Licht leiter 10 als Aufnehmeranschluss für das Spektrometer 15 an geordnet ist.

Papierbahnen für die Papiererzeugung sind üblicherweise bis zu 12 m breit, wobei in Einzelfällen die Breite auch diesen Betrag überschreiten kann. Wesentlich ist es, Aussagen spe ziell von breiten Papierbahnen nicht nur in Längsrichtung, sondern auch in Querrichtung der Papierbahn zu erhalten. Dazu kann eine Messung bekanntermaßen entweder mit einem traver sierenden Messkopf oder mit einem Array von einzelnen Mess köpfen über die gesamte Breite der Papierbahn erfolgen.

In Fig. 4 ist ein traversierender Messkopf 9 auf der Papier bahn dargestellt. Durch Überlagerung der Lateralbewegung des Messkopfes 9 mit der fortlaufenden Bewegung der Materialbahn 1 wird im Ergebnis eine Messung entsprechend einer Zick-Zack- Bahn realisiert, deren Verlauf im Einzelnen von den Geschwin digkeiten der Bahn und Messkopfbewegung vorgegeben werden kann.

In Fig. 5 ist eine Reihe von Messköpfen 9, 9', . . . als Mess array 90 in einem Messrahmen quer zur Papierbahn 1 angeord net. In diesem Fall ist also keine Bewegung der einzelnen Sensoren notwendig, wobei sich die Auflösung der Messung über die Papierbreite durch die Anzahl der Messköpfe 9, 9', . . . im Messarray 90 ergibt. Das aerodynamische Paradoxon und die entsprechenden Mittel zum Aufbau des Luftpolsters gelten hier für die Anordnung des gesamten Messarrays. Gegebenenfalls sind die einzelnen Messköpfe vertikal beweglich ausgebildet, so dass das aerodynamische Paradoxon jeweils separat zur Wir kung kommt.

Für die praktische Anwendung eines Messkopfes nach dem aero dynamischem Paradoxon bei reißfähigen Materialbahnen, wie insbesondere Papier, ist zu gewährleisten, dass es nicht zu einem längeren Kontakt zwischen Messkopf 9 und Papierbahn 1 kommt. Hierzu werden, wie in Fig. 6 dargestellt, zweckmäßi gerweise die einzelnen Messköpfe über Anordnung 60 und 61 mit jeweiligem Gewichtsausgleich aufgehängt. Die Luftströmung wirkt also in diesem Fall lediglich gegen die Variation des Messkopfgewichtes.

Um bei etwaigem Kontakt zwischen der sich bewegenden Mate rialbahn 1 mit dem Saugkopf 4 des Messkopfes 9 einen Einriss speziell einer Papierbahn zu verhindern, können zusätzlich Maßnahmen zur Vermeidung eines harten Aufsetzens vorhanden sein. Hierzu ist in Fig. 7 die Verwendung eines Gummischuhs 30 vorgesehen. Eine solche Maßnahme ist insbesondere am An fang und/oder Ende der Messung, wenn keine stabilen Verhält nisse vorliegen, sinnvoll.

Mit dem beschriebenen Messkopf werden Spektren elektromagne tischer Strahlung, bevorzugt NIR-Spektren (Nahes Infrarot) erfasst. Zur Auswertung der Spektren wird auf den Stand der Technik verwiesen. Es kommen insbesondere chemometrische Me thoden, beispielsweise die Hauptkomponentenanalyse, zum Ein satz. Mit entsprechenden Modellen können die Qualitätsparame ter von insbesondere Papierbahnen, wie das Flächengewicht, die Reißfestigkeit, der Berstdruck, die Zugfestigkeit, weite re spezifische die Papierqualität bestimmende Eigenschaften (CMT, SCT, RCT), der Aschegehalt und andere Größen berechnet werden.

Claims

1. Einrichtung zum berührungslosen Messen von Eigenschaften einer bewegten Materialbahn aus Papier oder Pappe mittels ei nes in einem Messkopf angeordneten Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (9; 29, 39) die Oberfläche der Materialbahn (1) nicht berührt und einen parallel zur Oberfläche der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe anordenbaren Saugfuß (49 und eine Blaseinrichtung (43, 8) zum Einblasen von Gas zwischen der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe und dem Saugfuß (4) aufweist, wobei die Blaseinrichtung (2, 3, 8) das Gas derart einblasend ausgebil det ist, dass zwischen der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe und dem Saugfuß (4) das aerodynamische Paradoxon wirk sam ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Saugfuß (4) zumindest eine Gasauslassöffnung (13) zum Einblasen von Gas zwischen der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe und dem Saugfuß (4) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (9) einen Aufnehmer zum berührungslosen Messen der Eigenschaften der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe bildet, wobei zwischen dem Aufnehmer und der Gasauslassöffnung (13) ein Messraum vorgesehen ist, in den das Gas einblasbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (9) die Ei genschaften der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe an der Stelle (14) der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe mes send ausgebildet ist, an der durch die Gasauslassöffnung (13) Gas auf die Materialbahn (1)aus Papier oder Pappe trifft.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft ist.

6. Messeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Messkopf (9) eine Licht quelle (5) zur Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung im vorgegebenen Wellenlängenbereich auf die Gasauslassöffnung (13) und einen optischen Signalaufnehmer (10, 15) enthält.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Signalaufnehmer (10, 15) zur Erfassung und Auswertung kontinuierlicher Spektren ausge bildet ist.

8. Messeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, dass der Messkopf (29, 39) mit Lichtquelle (5) und optischen Signalaufnehmern für Transmis sionsmessungen am Papier ausgebildet ist.

9. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (9; 29, 39) zur Messung der Festigkeiten der Materi albahn aus Papier oder Pappe ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (9; 29, 39) zur Messung von Oberflächenfehlern der Materialbahn aus Papier oder Pappe ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass dem Messkopf (9; 29, 39) Mittel (60, 61) zur Gewichtsentlastung zugeordnet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass dem Messkopf (9) Mittel (30) zum Schutz der Oberfläche der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe zugeordnet sind.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (9; 29, 39) mit dem optischen Signalaufnehmer mit einem zugehörigen Spektrometer (15) zur Aufnahme und Auswer tung von Spektren im NIR-Bereich (Nahes Infrarot) ausgebildet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, dass aus den NIR-Spektren mecha nische und/oder physikalische und/oder chemische Eigenschaf ten der Materialbahn (1) aus Papier oder Pappe ermittelt wer den.