DE10019497C2

DE10019497C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Wickelhärte einer Papierrolle

Info

Publication number: DE10019497C2
Application number: DE10019497A
Authority: DE
Inventors: Peter-Christian Eccardt; Hans-Georg Garsen; Alexander Jena; Helmut Liepold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: WO2001079832A1; EP1274993A1; DE10019497A1; US20030230140A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Wickelhärte einer Papierrolle durch Auswertung physikalischer Wechselwirkungseffekte zwischen einzelnen Papierlagen der Papierrolle. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Vorrichtung.

Am Ende der Papierherstellung in der Papierfabrik steht die Papierrolle, deren für die Weiterverarbeitung maßgebliche Qualität entscheidend von ihrem Wickelhärtenaufbau abhängt. Der Wickelhärtenaufbau einer Rolle wird im wesentlichen durch die Historie der Zugspannungsanwendung beim Aufwickeln der Papierbahn bestimmt. Werden dabei beispielsweise auf einer Rolle äußere Lagen sehr fest über relativ lose locker ge wickelte innere Lagen gewickelt, können die äußeren Lagen die inneren zusammenschnüren, was zu Falten im Wickelaufbau führt. Beim schnellen Abrollen einer solchen Rolle auf einer Druckmaschine kann die Papierbahn dann reißen.

Häufig reicht die Zugspannungshistorie einer Papierrolle zur Beurteilung der Wickelhärte nicht aus, weil Daten nur ungenau vorliegen oder fehlen oder Umsetzungsvorgänge innerhalb der Rolle die Spannungsverhältnisse gegenüber dem Zustand unmit telbar nach dem Aufwickeln verändert haben. Die Wickelhärte muss dann erneut geprüft werden. Aber auch unabhängig hiervon kann einer Wickelhärtenmessung im Zuge einer abschließenden oder für sich stehenden Qualitätskontrolle eine große Bedeu tung zukommen.

Vom Stand der Technik sind als rollenerhaltende Verfahren mit radialer Auflösung die Nadelmethode und die Streifenmethode bekannt. Bei der Nadelmethode ("Smith-Nadel") wird von der Rollenstirnseite her eine kalibrierte Nadel zwischen die Papierlagen gedrückt. Das Maß des Eindringens dieser Nadel wird als Maß für die Wickelhärte der Rolle an dieser Stelle benutzt. Bei der Streifenmethode werden bereits während des Aufwickelvorganges der Rolle Streifen zwischen die Papier lagen eingelegt, die dann später wieder herausgezogen werden. Die für dieses Herausziehen benötigte Kraft dient als Maß für die Wickelhärte an der betreffenden Stelle. Beide Methoden benötigen je nach geforderter Genauigkeit teilweise mehrere Stunden Handarbeit pro erhobenem Wickelhärteprofil.

Weiterhin gibt es als nicht rollenerhaltendes Verfahren noch das schrittweise Aufscheiden der Rolle (sog. Kameruntest). Dabei wird gemessen, wie weit sich der entstehende Spalt nach dem vorsichtigen schrittweisen Aufschneiden der Papierbahn öffnet. Unter allen Messverfahren für die verspannte mechani sche Struktur der Papierrolle weist dies Verfahren die höch ste Genauigkeit und die geringste Abhängigkeit von halbempi rischem Vorwissen auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein geeignetes Verfahren an zugeben, mit dem in einfacher Weise die Wickelhärte über eine gesamte Papierrolle ermittelt werden kann, und die zugehörige Einrichtung zu schaffen.

Die Erfindung ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist durch Patentanspruch 8 gekennzeichnet. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Mit der Erfindung ergibt sich in überraschend einfacher Weise eine Möglichkeit, zerstörungsfrei die Wickelhärte über den gesamten Radius einer Papierrolle zu bestimmen. Im Vorfeld der Erfindung wurden umfangreiche theoretische Untersuchungen angestellt und praktische Erprobungen durchgeführt. Als Ergebnis wurde eine funktionstüchtige Vorrichtung für den praktischen Einsatz in Papierfabriken geschaffen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzip der Wickelhärtebestimmung einer Papier rolle durch Einstrahlung von Ultraschall in die Stirnseite der Rolle,

Fig. 2 die Einstrahlung von Ultraschall in die Rollenstirn seite über einen Wandler mit keilförmiger Anpass schicht,

Fig. 3 eine Normalschwinger-Anordnung, bei der die Ein strahlung in die Rollenstirnseite über einen normal zur Oberfläche ausgelenkten Wandler erfolgt,

Fig. 4 zwei Alternativen für Scherschwinger an der Rollen stirnseite mit zwei tangential zur Oberfläche und parallel bzw. senkrecht zur Messstrecke ausgelenkten Wandlern,

Fig. 5 zwei alternative Realisierungsformen für Scherschwin gerkonfigurationen,

Fig. 6 Alternativen für die Ausbildung von Einkoppelflächen,

Fig. 7 die Geometrie bei der Einkopplung von L- und SV-Wel len oder von SH-Wellen,

Fig. 8 eine Arrayanordnung und

Fig. 9 eine konkrete Realisierung eines Messkopfes zur Wickelhärtebestimmung mit Ultraschall.

Im Rahmen von experimentellen Untersuchungen wurde das Aus breitungsverhalten von Ultraschall in einem typischen Papier stapel untersucht. Es wurden folgende Ergebnisse erhalten:

- Die Ultraschallausbreitung parallel zu den Papierebenen erfolgt mit geringer Dämpfung und mit hoher Schallge schwindigkeit. Weder Dämpfung noch Schallgeschwindigkeit hängen hier merklich vom Anpreßdruck ab.
- Die Ultraschallausbreitung senkrecht zu den Papierebenen ist durch hohe Dämpfung und niedrige Schallgeschwindigkeit gekennzeichnet. Mit zunehmendem Anpreßdruck nimmt die Dämpfung stark ab und die Schallgeschwindigkeit entspre chend zu.

Zur Erklärung dieses Verhaltens kann ein Feder-Masse-Modell dienen.

Es ist bekannt, dass die Dicke einer Papierlage eine stark nichtlineare Funktion des wirksamen Druckes ist. Diese Funk tion oder ihre Umkehrung kann dazu verwendet werden, um die Kompressibilität κ des Papierstapels in der Form

durch die negative relative Ableitung der Lagendicke d nach dem Druck p zu definieren. Die Schallgeschwindigkeit C senk recht zu den Papierlagen ergibt sich dann entsprechend der Gleichung

wobei ρ die Materialdichte bedeutet.

Für genauere Betrachtungen müssen die Unterschiede zwischen der isothermen und der adiabatischen Kompressibilität in die Betrachtung einbezogen werden. Zur Berechnung der Schall geschwindigkeit wird stets die adiabatische Kompressibilität zu verwendet.

Um den Zusammenhang von Schallgeschwindigkeit und Schall dämpfung mit dem senkrecht zu den Papierlagen angewandten Druck genauer zu erfassen, wurden Messungen an einem senk recht zu den Papierlagen durchschallten Papierstapel durch geführt. Der Druck senkrecht zu den Papierlagen wird dabei durch Anbringung eines über eine Federwaage einstellbaren Anpressdruckes variiert.

Es ergibt sich ein Ansteigen der Schallgeschwindigkeit und das Absinken der Dämpfung mit dem angewandten Druck. Beide Größen folgen einer Hysteresekurve. Dabei spielen hier offen bar mechanische Setzvorgänge eine Rolle, die zu einer Ver dichtung und Vernetzung der Papierfaserstruktur führen und einige Zeit beanspruchen. Wegen der angesprochenen Setzvor gänge stellen Schallgeschwindigkeit oder Schalldämpfung alles andere als ein ideales Maß für den jeweils herrschenden Druck dar. Man kann die Schallgeschwindigkeit jedoch sehr direkt als Maß für die aktuelle Kompressionshärte des Papierstapels ansehen. Bei einer Papierrolle entspricht dies der Wickel härte, die mit dem herrschenden Druck senkrecht zu den Papierlagen genaugenommen nur indirekt über dessen Zeit historie zusammenhängt.

In Fig. 1 ist eine Papierrolle mit 1 bezeichnet. Solche Papierrollen liegen als Ergebnis der Papierherstellung einer Papiermaschine mit anschließendem Wickeln zu sog. Tambour'en, Abwickeln und Schneiden zu vorgegebenen Längen und Breiten, beispielsweise mit einer Breite von 1 m und einem Durchmesser von 2 m, nach dem Wiederaufwickeln vor. An der Stirnfläche 2 der Rolle 1 sind einzelne Papierlagen 23 dargestellt. Auf der Stirnfläche 2 ist eine Messeinrichtung 10 angebracht, die aus einem Ultraschallsender 11 und einem Ultraschallempfänger 12 besteht.

Wegen der gemessenen hohen Signaldämpfungen im Papier ist es nicht möglich, mehr als einige Zentimeter (cm) Papier zu sammenhängend zu durchstrahlen. Aus diesem Grund wird bei den einzelnen Beispielen der Schall in die Stirnseite der Rolle abgestrahlt. Die Ausbreitung im Papier wird dann nach wenigen cm Lauflänge gemessen und die daraus bestimmte Schall geschwindigkeit im Papier wird als Ersatzkriterium für die Wickelhärte benutzt. Auch die Verwendung der Signaldämpfung zur Bestimmung der Wickelhärte ist denkbar. Durch radiales Verschieben der Messeinrichtung an der Rollenstirnseite soll das Wickelhärtenprofil der Rolle 1 bestimmt werden.

Das vorgeschlagene Verfahren geht davon aus, dass die an der Rollenstirnseite 2 in einem bestimmten Abstand zur Rollen achse bestimmte Wickelhärte repräsentativ ist auch für die Wickelhärte anderer bei diesem Achsabstand weiter im Innern der Rolle liegenden, gestapelten Papierlagen. Diese Annahme liegt auch der eingangs erwähnten Nadelmethode zugrunde.

Im Einzelnen ergeben sich spezielle Techniken, durch die eine möglichst hohe Ultraschallamplitude in die Stirnseite der Rolle eingekoppelt und nach einigen Zentimetern Weges wieder ausgekoppelt werden kann. Die Einkopplung kann dabei vor teilhafterweise so erfolgen, dass ein möglichst hoher Anteil des Schallfeldes senkrecht zu den Papierlagen abgestrahlt wird, der sich dann in dieser Richtung tangential zur Ober fläche durch das Papier bewegt und mit entsprechend gutem Wirkungsgrad wieder ausgekoppelt werden kann. Je nach Wand lertyp und Abstrahlung des Ultraschalls werden folgende Vor gehensweisen zu unterschieden:

1. Wandler mit keilförmiger Einkopplung

Fig. 2 zeigt einen Sende-/Empfangswandler 20, bei dem die Einstrahlung des Ultraschalls in die Rollenstirnseite 2 über ein Wandler element 21 mit sich daran anschließender keilförmiger Anpass schicht 22 erfolgt. Die tangentiale Schalleinkopplung über den Keil 22 erfordert ein Keilmaterial, das eine niedrigere longitudinale Schallgeschwindigkeit c_K aufweist als das Papier mit der Schallgeschwindigkeit c_P. Der Winkel zwischen der Wandlerachse und dem gewünschten tangentialen Abstrahl vektor muss die Bedingung ArcSin[c_P/c_K] einhalten, um tan gentiale Abstrahlung entsprechend Pfeil 24 in das Papier zu erhalten. Je nachdem, ob dabei für c_P die longitudinale oder die transversale Schallgeschwindigkeit im Papier eingesetzt wird, werden dabei Wellen vom Typ L (Longitudinalwellen) oder SV (vertikal polarisierte Scherwellen, Shear Vertical) angeregt.

Vorteilhaft sind bei der Anordnung gemäß Fig. 2 die niedri gen Anforderungen an den Wandler 20. Es werden intensive und gerichtete Wellen parallel zur Papieroberfläche erzeugt. Es muss allerdings geeignete Materialien im Bereich der nötigen niedrigen longitudinalen Schallgeschwindigkeit c_K gewählt werden.

2. Normalschwinger-Anordnung

Fig. 3 zeigt einen Ultra schallwandler 30 mit Normalschwinger-Anordnung und Einstrah lung in die Rollenstirnfläche 2, die durch den normal zur Stirnfläche entsprechend den Pfeilen 31 auslenkbaren Wandler ermöglicht wird. Damit ist ein einfach zu realisierendes Wandlerprinzip realisiert. Vorteilhaft ist dabei die robuste Ankopplung an das Papier, da nur Kräfte senkrecht zur Papier oberfläche übertragen werden müssen. Die parallel zur Papier oberfläche abgestrahlte Schallwellen bestehen aus L-Komponen ten und - dank des Reibschlusses der Papierbahnen - aus SV- Komponenten, weisen aber insgesamt nur eine relativ geringe Intensität auf.

3. Scherschwinger-Anordnungen für senkrecht zueinander orien tierte Polarisationsrichtungen

Fig. 4 zeigt einen Ultra schallwandler 40 mit Ultraschallabstrahlung über Scherschwin ger in die Rollenstirnseite 23. Dabei ergeben sich zwei ver schiedene Beispiele mit zwei tangential zur Oberfläche, aber in beiden Fällen senkrecht zueinander ausgelenkten Wandlern entsprechend den Pfeilen 41 bzw. 42. In der Teilfigur 4a schwingt der Wandler 40 nach mit seiner wirksamen Kante 41 rechts und links senkrecht zu den Papierlagen 23, in der Teilfigur 4b mit der Kante nach vorn und hinten parallel zu den Papierlagen 23. Der Empfang der akustischen Wellen er folgt links oder rechts vom Wandler 40.

In beiden Fällen werden vom Wandler 40 hauptsächlich Scher auslenkungen und Kräfte tangential zur Oberfläche auf das Papier in Pfeilrichtungen 41 bzw. 42 übertragen. Dies erfor dert einen komplexeren Wandleraufbau. Die Ankopplung an das Papier ist in diesem Fall, da Scherkräfte übertragen werden müssen, weitaus empfindlicher. Das bedeutet, dass zur siche ren Kraftübertragung größere Anpresskräfte erforderlich sind mit dem Risiko, dass die Papieroberfläche beschädigt wird.

Wie in Fig. 4 im Einzelnen dargestellt, sind zwei zueinander senkrechte Orientierungen der Scherschwinger denkbar. Die Anordnung (a) strahlt L- und SV-Wellen auch als Überlagerun gen in Form von Oberflächenwellen, die Anordnung (b) strahlt SH-Wellen (horizontal polarisierte Scherwellen, Shear Hori zontal) in Richtung des links oder rechts des Sendewandlers 40 anzubringenden Empfängers ab. Der Vorteil gegenüber dem Normalschwinger liegt in jedem Fall in der stärkeren Abstrah lung tangential zur Oberfläche und senkrecht zu den Papier lagen. Nach experimentellen Untersuchungen hat dabei die Anordnung (a) das größere Signal, die Anordnung (b) dagegen weniger Störsignale und eine geringere Überlagerung unter schiedlicher Wellentypen. Zu beachten ist, dass die Anordnung (b) aus Symmetriegründen kein Signal über die Luft übertragen kann, da es in Luft keine Transversalwellen gibt.

Für die Realisierung von Scherschwingern 40 mit Schwingungs richtungen 41 bzw. 42 auf der Basis von Bulk-Piezomaterial gibt es im wesentlichen zwei Möglichkeiten, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind. Aus Fig. 5 ergeben sich in den Teil figuren a) und b) zwei verschiedene Realisierungsformen 50 und 60 für Scherschwinger-Konfigurationen, veranschaulicht am Beispiel der in Fig. 5 gezeigten Schallwellen-Polarisation entsprechend den Pfeilen 53 und 63.

In Fig. 5a ist eine sog. Bimorph-Anordnung dargestellt: Zwei Scheiben 51 und 52 mit umgekehrter linearer Dehnungs- und Stauchungsrichtung sind analog einem Bimetall Seite an Seite zusammengefügt. Hierbei können entweder beide Materialien, z. B. aus Piezokeramik, als elektromechanischer Wandler aktiv sein und entgegengesetzt polarisiert bzw. angesteuert werden (Bimorph), oder aber z. B. als eine elektromechanisch aktive Piezokeramik mit einem inaktiven Material, z. B. Metall oder Kunststoff, kraftschlüssig verbunden sein (Monomorph). In Fig. 5b sind Polarisation und angelegtes elektrisches Feld nicht parallel. Dadurch ergibt sich Anregung einer inneren Scherung bereits im homogenen Material.

4. Verstärkung der Abstrahlung parallel zur Papieroberfläche durch laterale Modulation der wirksamen Wandlerauslenkung

Die vorstehend beschriebenen Scherschwinger weisen ein Maximum der akustischen Abstrahlung in Tiefenrichtung des Papiers auf. Dies rührt im wesentlichen daher, dass sich in Tangentialrichtung der Oberfläche diejenigen Beiträge von unterschiedlichen Teilen der Wandleroberfläche gegenseitig auslöschen, deren Weglängenunterschied im Papier längs der Oberfläche den Betrag λ/2 erreicht. Dabei stellt λ die Wel lenlänge des sich im Papier in Tangentialrichtung ausbrei tenden akustischen Signals dar. Ein relativ einfacher Weg zur Reduktion dieses Auslöschungseffektes ist die Verwendung scharfer Kanten für die Wandler. Beispielweise kann die rechte Kante des in Fig. 5 gezeigten Scherschwingers etwas nach unten verkippt werden, so dass sie stärker ins Papier drückt als die linke Kante. Dies wird insbesondere auch beim Messkopf gemäß Fig. 9 realisiert, der weiter unten im Ein zelnen beschrieben wird. Aber auch andere geeignete Geome trien sind zu diesem Zweck denkbar. Ein Beispiel ist die Ver wendung zweier dicht benachbarter begrenzender Kanten, was in Fig. 6 und Fig. 7 im Einzelnen dargestellt ist.

Anhand Fig. 6 wird die Wirkung der jeweiligen Einkoppel fläche des Ultraschalls verdeutlicht. Es ergibt sich in Fig. 6a) ein Ultraschallwandler 50 als Monomorph aus Fig. 5a. mit aber demgegenüber schmalerer Einkoppelfläche 54. In Fig. 6b) der Ultraschallwandler 60 als Transversalschwinger gemäß Fig. 5b) mit reduzierter Einkoppelfläche 64 ausgebildet. In beiden Fällen wird eine Verbesserung der Schallabstrahlung und Einkopplung in die Papierrolle erreicht.

Anhand Fig. 7 werden die einzelnen Wellentypen verdeutlicht, die mit einem Ultraschallwandler 70 erzeugt werden. Fig. 7a zeigt einen Ultraschallwandler 20 zur Einkopplung von L- und SV-Wellen durch einen Biegeschwinger 70 und Fig. 7b den Ultraschallwandler 70 zur Einkopplung von SH- Wellen in Pfeilrichtung 74 durch einen Biegeschwinger 72 über seine Grundfläche als Einkoppelfläche. Dabei schwingt der Wandler 71 in Richtung der Messstrecke und der Wandler 72 mit Einkoppelfläche senkrecht zur Messstrecke auf der Papier rollenstirnfläche 23.

Der Vorteil dieser Art von räumlicher Modulation der Wandler auslenkung besteht in der Einfachheit der Anwendung. Die in manchen Fällen nur begrenzte Wirksamkeit kann bei allen dar gestellten Wandlertypen durch eine Arrayanordnung stark er höht werden, allerdings um den Preis eines erheblich höheren mechanischen und schaltungstechnischen Aufwandes. Das Prinzip der Arrayanordnung ergibt sich aus der Darstellung gemäß Fig. 8.

Fig. 8 zeigt ein Array 80 aus einzelnen Ultraschallschwin gern 81, 82, . . . 86. Am Beispiel des Arrays 80 mit den Nor malschwingern 81, 82, . . . wird die gezielte Anregung einer Oberflächenwelle 90 verdeutlicht. Das Arrayprinzip funk tioniert ebenso gut mit Scherschwingern. Wenn eine Vielzahl von Wandlern radial über die Stirnfläche einer Papierrolle angeordnet wird, lassen sich je zwei benachbarte Wandler 81 und 82 bzw. 83 und 84 etc. als Sender und Empfänger zur jeweils singularen lokalen Messung der Wickelhärte an einem radialen Punkt der Rollenstirnfläche verwenden. Es lassen sich aber auch Gruppen von Wandlern phasenversetzt ansteuern, so dass sich eine steuerbar verlaufende Wellenfront ergibt.

Beispielsweise werden eine Wandlergruppe 81, 83, 85, . . . als Sende- und eine Wandlergruppe 82, 84, 86, . . . als Empfänger geschaltet.

Der Phasenunterschied zwischen den jeweils aktivierten Wand lern muss dabei auf den Wandlerabstand und die Schall geschwindigkeit im Papier abgestimmt sein. Bei der phasen versetzten Ansteuerung wird die Phasenversetzung vorteil hafterweise proportional zur Raumkoordinate entlang der Mess strecke der Papierrolle eingestellt. Es wird ein Proportio nalitätsfaktor gewählt derart, dass die Übertragung des Ultraschalls in Richtung der Messstrecke maximiert wird.

Für praktische Messungen eignet sich eine Anordnung zweier leicht verkantet auf das Papier aufgesetzter Scherschwinger. Ein diesbezüglicher Messkopf 100 ist in Fig. 9 wiederge geben. Der Messkopf 100 dient zur Schallgeschwindigkeits messung an der Stirnseite 2 der Papierrolle und hat dafür zwei vorzugsweise als Scherwandler ausgebildete Ultraschall wandler 110 und 120. Zwischen den beiden als Sender oder Empfänger dienenden Wandlern 110 und 120 sind Abschirmungen 115 und 117 gegen akustisches und elektrisches Übersprechen angeordnet.

Die wesentlichen Parameter der Vorrichtung gemäß Fig. 9 wurden im Einzelnen bei einer Messanordnung gemäß Fig. 1 untersucht, wobei sich ein geeigneter Verlauf des am Empfangswandler auftretenden Signals als Maß für die Wickel härte einer Papierrolle ergibt. Ausgewertet wird der erste Nulldurchgang nach Einsetzen des akustischen Signals am Empfänger.

Der mechanische Aufbau des Messkopfes 100 enthält im Ein zelnen aus einer Spannvorrichtung 101, mittels der über Druckfedern 102 und 103 ein PVC-Block 105 gehaltert ist. Auf dem PVC-Block 105 ist über Gummilagen 106 und 107 elektrisch isoliert ein erster Scherwandler 110 und ein zweiter Scherwandler 120 angebracht, von denen der eine als Ultraschall sender und der andere als Ultraschallempfänger dient. Zwi schen beiden Wandlern befindet sich die bereits erwähnte Abschirmung 115 zur Eliminierung von Luftschall. Zur elek trischen Abschirmung dient ein Kupfernetz 116 und der Metallkörper 117.

Der so beschriebene Messkopf wird auf der Stirnfläche 2 der Papierrolle 1 aufgesetzt, wie es beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist, wobei eine geeignete radial Lage für jede Messung manuell vorgegeben wird. Durch die Abschirmungen wird ein elektrisches und akustisches Übersprechen während der Messung verhindert. Wie erwähnt, sind zur Einhaltung der Sende- und Empfangsbedingungen die Scherwandler gegeneinander leicht verkantet, wozu ggf. Ausgleichsschichten vorhanden sind.

Der Messkopf 100 gemäß Fig. 9 kann auch in einen geeigneten Schlitten als Verschiebeeinrichtung eingebracht werden, so dass er radial auf der Stirnfläche 2 der Papierrolle 1 ver schiebbar ist. Der Messkopf 100 wurde als Prototyp aufgebaut und erfolgreich für Messungen an Papierrollen eingesetzt.

Die charakteristischen Parameter ergeben sich aus den experi mentellen Untersuchungen. Mit dem Messkopf 100 wurde ein Signalverlauf ermittelt, aus welchem die Wickelhärte einer Papierrolle reproduzierbar ermittelt werden kann. Damit ist ein wertvolles Hilfsmittel für den praktischen Einsatz in Papierfabriken geschaffen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Wickelhärte einer Papierrolle durch Auswertung physikalischer Wechselwirkungseffekte, wobei mittels Ultraschallwandler Ultraschall in radialer Richtung entlang der Stirnfläche der Papierrolle eingestrahlt wird und Ultraschall, der die Papierlagen der Papierrolle parallel zur Stirnseite in radialer Richtung durchläuft, wieder empfangen wird und die Bestimmung der Wickelhärte durch eine Messung der sich ändernden Schallgeschwindigkeit oder Schallausbrei tungsdämpfung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalleinkopplung und die Schallauskopplung durch einen senk recht zur Oberfläche an der Stirnfläche der Papierrolle in Schwingbewegung versetzten Ultraschallwandler er folgt, wobei im wesentlichen eine Messung der Ausbreitungs geschwindigkeit oder der Ausbreitungsdämpfung von Longitudi nalwellen bzw. von Transversal-(SV)Wellen und Oberflächen wellen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalleinkopplung und die Schallauskopplung durch Reibschluss zwischen dem Ultraschallwandler und der Stirnflä che der Papierrolle senkrecht zur Richtung der Papierlagen erfolgt, wobei im wesentlichen eine Messung der Ausbreitungs geschwindigkeit und Ausbreitungsdämpfung von Longitudinal wellen bzw. Transversal-(SV)Wellen und Oberflächenwellen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalleinkopplung und die Schallauskopplung durch Reibschluss zwischen dem Ultraschallwandler und der Stirnflä che der Papierrolle in Richtung der Papierlagen erfolgt, wobei im wesentlichen eine Messung der Ausbreitungsgeschwin digkeit und Ausbreitungsdämpfung von Transversal-(SH)Wellen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalleinkopplung über einen Keil, dessen Schallge schwindigkeit kleiner als die zu messende Schallgeschwindig keit im Papier ist, erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung über Transversalschwinger erfolgt. (Fig. 5b, Fig. 6b).

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung über Biegeschwinger erfolgt. (Fig. 5a, Fig. 6a, Fig. 7).

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch ein Ultraschallmesssystem mit wenigstens einem Ultraschallsender (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 110) und wenigstens einem Ultraschallempfänger (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 120), die auf der Stirnseite (2) der Papierrolle (1) platzierbar und radial verschiebbar sind, wobei mittels Ultraschallsender Ultraschall in radialer Richtung entlang der Stirnfläche der Papierrolle einstrahlbar ist und mittels Ultraschallempfänger Ultraschall, der die Papierlagen der Papierrolle parallel zur Stirnseite in radia ler Richtung durchläuft, empfangbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem aus Ultraschallsender und Ultraschallemp fänger einen Messkopf (100) mit schallmäßig entkoppelten Ultraschallwandlern (110, 120) bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (10, 20) als Transversalschwinger ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (10, 20) als Biegeschwinger aus gebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallmesssystem (80) durch ein Sende-/Emp fangs-Array aus einzelnen Ultraschallwandlern (81, 82, . . .) gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Ultraschallwandlern des Arrays (80) pha senversetzt angesteuert werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenversetzung proportional zur Raumkoordinate entlang der Messstrecke gewählt wird, und zwar mit einem Proportionalitätsfaktor derart, dass die Übertragung in Rich tung der Messstrecke maximiert wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (80) von Ultraschallwandlern (81, 82, . . .) radial auf der Stirnfläche (1) der Papierrolle (1) angeordnet ist und dass zur Messung jeweils ein benachbartes Paar von Ultraschallwandlern (81, 82; 83, 84, . . .) als separate Sender und Empfänger zur Messung radial unterschiedlicher Wi ckelhärten der Papierrolle geschaltet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 8 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (80) von Ultraschallwandlern (81, 82, . . .) ra dial auf der Stirnfläche (2) der Papierrolle (1) angeordnet ist und dass zur Messung jeweils eine benachbarte Gruppe von Wandlern (81, 83, 85) als ein phasenversetzt angesteuertes Sende-Array und eine benachbarte Gruppe von Wandlern (82, 84, 86) als ein phasenversetzt angesteuertes Empfangsarray ge schaltet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Verschiebeeinrich tung für den Ultraschallmesskopf (100) radial zur Stirnfläche (2) der Papierrolle (1).

18. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ultraschallwandler (110, 120) des Messkopfes (100) gegeneinander verkippt angeordnet sind und von der Verschiebeeinrichtung gehaltert gegen die Stirnseite (2) der Papierrolle gepresst wird.