DE102004060036A1

DE102004060036A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Feuchte einer Materialbahn

Info

Publication number: DE102004060036A1
Application number: DE200410060036
Authority: DE
Inventors: Bernd Stibi; Marc Erkelenz
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-14

Abstract

Eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes eines Bereichs (8) einer Materialbahn in einer Maschine zur Herstellung der Materialbahn mit einem mithilfe elektromagnetischer Wellen messenden Feuchtesensor (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor (1) zwei Lichtwellenleiter (12, 15) mit einem Sende- bzw. einem Empfangskopf (13, 14) umfasst, die quer zur Materialbahn auf einem Messbalken beweglich angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messverfahren zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes einer Materialbahn in einer Maschine zur Herstellung der Materialbahn mit einem mit Hilfe elektromagnetischer Wellen messenden Feuchtesensor, der quer zur Laufrichtung der Materialbahn über die Materialbahnbreite hinweg den Feuchtigkeitsgehalt misst.
Die ungleiche Verteilung der Feuchte im Querprofil einer Papierbahn hat bspw. zur Folge, dass Papierbahnabrisse auftreten können, so dass ein langwieriges Wiederaufführen der Papierbahn notwendig ist, dass Leim- und Strichauftrag ungleichmäßig erfolgen, dass eine ungleichmäßige Oberfläche entsteht, dass sich in der Papierbahn Falten bilden und dass sehr viel Energie zur Herstellung der Papierbahn benötigt wird. Daher werden bereits im Stand der Technik Maßnahmen getroffen, um eine gleichmäßige Feuchtigkeit in einer Materialbahn über das Querprofil zu erzielen.

Aus der DE 198 41 638 A1 ist es bekannt, bei Faserstoffbahnen, die zur Trocknung über beheizte Zylinder geführt werden, zum Ausgleich einer ungleichen Verteilung der Feuchte quer zur Faserstoffbahn eine Feuchteprofilierung mittels Mikrowellen und/oder Hochfrequenzwellen vorzunehmen, wodurch feuchtere Stellen der Faserstoffbahn stärker als die weniger feuchten getrocknet werden. Hierzu wird die Faserstoffbahn an zumindest einem Mikrowellen-Sender und/oder an zumindest zwei mit einer Hochfrequenz-Quelle verbundenen Elektroden unterschiedlicher Polarität vorbeigeführt. Durch den Einsatz von elektromagnetischen Wellen lässt sich eine gleichmäßige Trocknung der Faserstoffbahn über die gesamte Breite erreichen.

Um den Feuchtegrad der Faserstoffbahn zu reduzieren, ist es wichtig, zu ermitteln, welche Feuchte die Materialbahn während des Entstehens aufweist. Aus der DE 198 44 927 A1 ist es bekannt, den Feuchtegehalt, vorzugsweise mittels Infrarot-Strahlung einer oder mehrerer Wellenlängen oder durch radioaktive Strahlung, in einem Bereich zu bestimmen, in dem die Faserstoffbahn auf einer im wesentlichen wasserfreien, mitlaufenden Oberfläche aufliegt.

In der DE 199 12 500 A1 wird ein Verfahren zum Bestimmen der Materialeigenschaften einer Materialbahn beschrieben, bei dem gleichzeitig mehrere Messstellen auf der Materialbahn ausgeleuchtet und über zumindest eine optische Einrichtung auf eine in mehrere Einzelflächen unterteilte Nachweisfläche wenigstens eines Detektors abgebildet werden. Hierzu wird eine als Messbalken ausgebildete Messeinheit eingesetzt, die sich über eine in Bahnlaufrichtung laufende Bahn hinweg senkrecht zur Bahnlaufrichtung erstreckt. Die Messeinheit ist mit einer Vielzahl von Strahlungsquellen versehen, die jeweils elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich emittieren, bevorzugt im nahen IR-Bereich, beispielsweise mit Wellenlängen im Bereich von 1,0 μm bis 2,5 μm.

Ebenfalls ist die Bestimmung von Feuchtequerprofilmessungen einer Papierbahn ab dem Ende der Siebpartie mit Angabe hinreichend genauer Absolutwerte und mit Schwankungsangaben möglich. Ein im nahen Infrarotwellenlängenbereich messender Feuchtesensor wird auf einer sich in Maschinenquerrichtung erstreckenden Traverse in beliebig distanzierbaren Schritten quer zur Papierbahn bewegt und nimmt anhand einer elektronischen Messeinheit Messwerte auf. Der Einbau der Traverse kann überall da in der Papiermaschine erfolgen, wo genügend Platz ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Feuchtigkeit einer Materialbahn an nahezu jedem beliebigen Ort der Papiermaschine anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass elektromagnetische Wellen von einem Sender unter Verwendung eines Wellenleiters zu einer Stelle der Materialbahn geführt werde und dass die von der Materialbahn zurückkommenden elektromagnetischen Wellen unter Verwendung eines Wellenleiter einem Empfänger zugeführt werden.

Mit Hilfe dieses Messverfahrens ist es möglich, an nahezu jeder beliebigen Stelle einer Maschine zur Herstellung einer Materialbahn, insbesondere einer Faserstoffbahn wie einer Papier- oder Kartonbahn, das Feuchtequerprofil der Materialbahn währen der Produktion mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen. Anstelle des gemäß dem Stand der Technik traversierenden Feuchtesensors traversiert bzw. traversieren der oder die Lichtwellenleiter oder Lichtwellenleiterbündel über die Materialbahn während bspw. andere, insbesondere platzintensive Bauteile des Feuchtesensors außerhalb der Materialbahn, beispielsweise in der Nähe weiterer Messeinrichtungen, angeordnet sind. Der oder die Lichtwellenleiter dient bzw. dienen somit als „Verlängerung" des Feuchtesensors.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.

Hierbei ist erfindungsgemäß möglich, dass nur ein Lichtwellenleiter verwendet wird, in dem sowohl das zu sendende als auch das zurück kommende Licht geführt wird. Es ist aber auch denkbar, dass zwei Lichtwellenleiter verwendet werden, wobei in einem ersten Lichtwellenleiter das zu sendende Licht und in einem zweiten Lichtwellenleiter das zurückkommende Licht geführt wird.

Aus dem Verhältnis zwischen dem auf die Materialbahn gesendetem Licht und dem von der Materialbahn zurückkommenden Licht- vorzugsweise reflektiertem Licht- wird mittels geeigneter Algorithmen der Feuchtegehalt der Materialbahn bestimmt.

Werden zwei Lichtwellenleiter verwendet, so werden der erste Lichtwellenleiter mit einem Sendekopf und der zweite mit einem Empfangskopf gemeinsam über die Materialbahn bewegt, wobei aufgrund von aus dem Sender in dem Feuchtesensor über den ersten Lichtwellenleiter und den Sendekopf gesendeten Lichtsignalen von der Materialbahn reflektierte Lichtsignale durch den Empfangskopf und den zweiten Lichtwellenleiter zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts durch den Empfänger in dem Feuchtesensor empfangen werden.

Beide Lichtwellenleiter sind am Feuchtesensor eingekoppelt. Dabei übernimmt der eine Lichtwellenleiter die Führung des Infrarotlichts zur Materialbahn, während der andere Lichtwellenleiter die Rückführung des von der Materialbahn reflektierten Infrarotlichts übernimmt. Dadurch, dass für die Traversierung von Lichtwellenleiterbündeln einschließlich der zugehörigen optischen Umlenk- oder Messmittel innerhalb der Maschine zur Herstellung der Materialbahn weniger Freiraum als für die Traversierung eines Messkopfs mit einem Feuchtesensor erforderlich ist, steigt die Zahl der Messstellen. Auf diese Weise wird der Feuchtesensor geschont, da er nicht mehr den infolge von mit Chemikalien versetztem Wasserdampf, hohen Temperaturen, etc. extremen Bedingungen innerhalb der Maschine ausgesetzt ist. Insgesamt reduziert sich der für die Messungen erforderliche Aufwand.

In vorteilhafter Weise werden der Sendekopf und der Empfangskopf auf einem Messbalken quer über die Breite der Materialbahn bewegt. Dabei wird die Materialbahn entweder kontinuierlich oder schrittweise abgetastet.

Die Wellenlängen der Lichtsignale, mit denen die Messungen durchgeführt werden, liegen im nahen Infrarotbereich (NIR), da das Absorptionsspektrum von Wasser besonders in diesem Frequenzbereich starke Absorptionsbanden hat. Die dem Feuchtesensor zugeführten Lichtsignale werden in elektrische Signale umgewandelt und an eine Dateneinheit oder elektronische Steuereinheit übertragen. Die von dem Feuchtesensor gemessenen Daten werden in einer Einheit durch spezielle Algorithmen in Feuchtewerte umgerechnet. Mittels einer Kalibriereinrichtung muss der Feuchtesensor kalibriert werden.

Durch die Kalibrierung lassen sich alle Messwerte auf genaue Laborwerte kalibrieren, wodurch eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird. Das Messverfahren lässt sich überall in der Maschine zur Herstellung der Materialbahn, insbesondere in einer Papiermaschine, einsetzen. Die örtliche Auflösung wird nur durch die Größe des Messflecks begrenzt. Optimierungen des Feuchtequerprofils lassen sich sofort überprüfen, die laufende Produktion der Materialbahn wird durch den Messvorgang nicht beeinflusst.

Von Vorteil ist es, wenn zunächst Messwerte ermittelt werden und diese nach der Durchführung eines Messvorgangs kalibriert werden. Es versteht sich jedoch, dass auch umgekehrt verfahren werden kann und beispielsweise auch Kalibrierwerte aus früheren Messungen für die Korrektur der aktuellen Messwerte eingesetzt werden können. Beispielsweise lassen sich die Kalibrierwerte durch Entnahme von Proben der Materialbahn an jeder beliebigen Installationsstelle des Sensors gewinnen und zur Ermittlung des absoluten Feuchtigkeitsgehalts auf feste Trockenwerte einstellen. Dann wird eine Kalibrierkurve erstellt.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes einer Materialbahn in einer Maschine zur Herstellung der Materialbahn mit einem mit Hilfe elektromagnetischer Wellen messenden Feuchtesensor.

Erfindungsgemäß ist die Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor zwei Lichtwellenleiter mit einem Sende- bzw. einem Empfangskopf umfasst, die quer zur Materialbahn auf einem Messbalken beweglich angeordnet sind.

Von Vorteil ist der Einsatz von Mitteln zur Umlenkung der Lichtsignale um Ecken, insbesondere von Prismen, die zwischen Abschnitten oder Stücken der Lichtwellenleiter eingebracht sind, um das Licht engräumig umlenken zu können, wo der Einsatz der Lichtwellenleiter aufgrund zu starker Durchbiegung nicht mehr möglich ist.

Ebenfalls als vorteilhaft erweist es sich, wenn in dem Feuchtesensor eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Infrarot-Lichtspektrums vorhanden ist und mittels mindestens eines Filters aus dem Infrarot-Lichtspektrum wenigstens ein Wellenlängenbereich auswählbar ist. Hierzu lässt sich beispielsweise ein Chopper mit einem mehrere Filter aufweisenden Rad einsetzen, das durch einen Elektromotor gedreht wird, so dass nacheinander Licht verschiedener Wellenlängen oder schmaler Wellenlängenbereiche auf die Materialbahn eingestrahlt wird.

Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Feuchtesensors zusammen mit den Lichtwellenleitern und
2 ein NIR-Absorptionsspektrum von Wasser als Grundlage für Auswertealgorithmen.
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Feuchtesensor 1 mit einem Sender 2 und einem Empfänger 3.
Der Sender 2 weist eine Lampe 4, beispielsweise eine Quarzhalogenquellenlampe auf, die Licht im NIR-Wellenlängenbereich zur Untersuchung eines Oberflächenbereichs 8 (2) einer Materialbahn, insbesondere einer Faserstoffbahn, aussendet.
Erfindungsgemäß wird das Licht über einen ersten Lichtwellenleiter 12, der an den Sender 2 angekoppelt ist dem zu messenden Oberflächenbereich 8 der Faserstoffbahn zugeleitet und tritt aus diesem über eine als Sendekopf dienende Linse 13 heraus. Das auf den Oberflächenbereich 8 eingestrahlte Licht wird zum Teil absorbiert oder transmittiert und zum Teil reflektiert. Das reflektierte Licht wird über eine als Empfangskopf dienende Linse 14 in einen Lichtwellenleiter 15 eingekoppelt und in dem Empfänger 3 empfangen. Die Linsen 13, 14 traversieren gemeinsam mit den Enden der Lichtwellenleiter 12, 15 über die Materialbahn.
Aus den gemessenen Daten wird bspw. in einer Auswerteeinheit 16 unter Verwendung geeigneter Algorithmen der Feuchtegehalt der Faserstoffbahn im gemessenen Oberflächenbereich 8 ermittelt.
Bei Bestrahlung des Bereichs 8 mit gebündeltem Infrarotlicht wird dieses je nach der Beschaffenheit und der Materialstärke absorbiert und reflektiert, während ein anderer Teil des Lichts hindurchgelassen wird. Die einzelnen Komponenten in der Faserstoffbahn absorbieren das Licht mehr oder weniger, so dass ein substanzspezifisches Spektrum aufgenommen wird. Spezifische Peaks in dem Spektrum lassen auf Inhaltsstoffe wie Wasser schließen, dessen Moleküle ausgeprägte Absorptionsbanden im nahen Infrarot haben. Die eigentliche Messgröße wird aus dem Verhältnis des interessierenden Absorptions-Peaks zur restlichen Spektralkurve bzw. der Absorption bei einer Referenzwellenlänge gebildet, um geringe Schwankungen infolge von Lampenalterung, infolge des Abstands zur Oberfläche, Streulicht, etc. auszugleichen.
Konkret werden Reflektionssignale bei bestimmten Wellenlängen 17 – solche bei denen Wasser einen Einfluss auf die Signalgröße hat – mit Signalen bei bestimmten Wellenlängen 18 (Referenzwellenlängen)- solche bei denen Wasser keinen Einfluss auf die Signalgröße hat – ins Verhältnis gesetzt und daraus mittels geeigneter Algorithmen die Feuchte in der Faserstoffbahn im bestrahlten Oberflächenbereich 8 ermittelt (3).

Claims

Messverfahren zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes einer Materialbahn in einer Maschine zur Herstellung der Materialbahn mit einem mit Hilfe elektromagnetischer Wellen messenden Feuchtesensor (1), der quer zur Laufrichtung der Materialbahn über die Materialbahnbreite hinweg den Feuchtigkeitsgehalt misst, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Wellen von einem Sender (2) unter Verwendung eines Wellenleiters (12, 15) zu einem Oberflächenbereich (8) der Materialbahn geführt werden und dass die von der Materialbahn zurückkommenden elektromagnetischen Wellen unter Verwendung eines Wellenleiter (12, 15) einem Empfänger (3) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesendeten und die zurückkommenden elektromagnetischen Wellen in einem Wellenleiter, insbesondere einem Lichtwellenleiter, geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesendeten elektromagnetischen Wellen in einem ersten Wellenleiter (12) und die zurückkommenden elektromagnetischen Wellen in einem zweiten Wellenleiter (15) geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wellenleiter (12) mit einem Sendekopf (13) und der zweite Wellenleiter (15) mit einem Empfangskopf (14) gemeinsam über die Materialbahn bewegt werden, und dass aufgrund von aus dem Sender (2) in dem Feuchtesensor (1) über den ersten Lichtwellenleiter (12) und den Sendekopf (13) gesendeten Lichtsignalen von der Materialbahn reflektierte Lichtsignale durch den Empfangskopf (14) und den zweiten Lichtwellenleiter (15) zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts in dem Empfänger (3) in dem Feuchtesensor empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekopf (13) und der Empfangskopf (14) auf einem Messbalken quer über die Breite der Materialbahn bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängen der Lichtsignale im nahen Infrarotbereich (NIR) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Feuchtesensor (1) zugeführte Lichtsignale in elektrische Signale umgewandelt werden und an eine Dateneinheit oder elektronische Steuereinheit übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Feuchtesensor (1) gemessene Feuchtigkeitswerte mittels einer Kalibriereinrichtung kalibriert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte nach der Durchführung eines Messvorgangs kalibriert werden.