DE102012224122A1

DE102012224122A1 - Vorrichtung zum Erfassen von Messwerten in einem Walzenspalt

Info

Publication number: DE102012224122A1
Application number: DE102012224122.1A
Authority: DE
Inventors: Robert Eberhardt; Siegfried Graser; Stefan Probst-Schendzielorz; Bernd Ehrbrecht; Jürgen Merz
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Also published as: WO2014095553A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Erfassung von Messwerten in einem Walzenspalt (15) zwischen zwei Walzen (13, 14) insbesondere in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung eine Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn wird beschrieben, wobei die Vorrichtung (1) in den Walzenspalt (15) einlegbar ist und eine Mehrzahl von Messkondensatoren (7) mit Kondensatorplatten (4a, 4b) und einem zwischen den Kondensatorplatten (4a, 4b) angeordneten Dielektrikum (5) aufweist, wobei die Kondensatorplatten (4a, 4b) durch Abstandshalter (3a, 3b) voneinander beabstandet sind, wobei zumindest erste Abstandshalter (3a) elastisch deformierbar sind, und wobei durch eine Veränderung der Geometrie der Messkondensatoren (7) und eine daraus resultierende Änderung der Kapazität der Messkondensatoren (7) Signale erzeugbar sind, welche der Ermittlung der Nipbreite dienen. Die Mehrzahl von Messkondensatoren (7) weist eine aktive Abschirmung gegenüber elektrischen Feldern auf.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, die zur Bestimmung von Messwerten in einem Walzenspalt geeignet ist, insbesondere zwischen zwei Walzen in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung einer Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es besteht seit langem Bedarf seitens der Papiermaschinenbetreiber, Möglichkeiten zur Ermittlung von Betriebsparametern zwischen Walzen zu erhalten. Positionen in einer bahnverarbeitenden Maschine, wo zwei Walzen unter Bildung eines Nips aufeinanderlaufen, tragen wesentlich zur Qualität des Endproduktes bei. Laufen in solchen Positionen die Walzen z. B. schräg aufeinander oder ist die Bombierung der Walzen nicht korrekt aufeinander abgestimmt, kann die Faserstoffbahn bereichsweise unterschiedliche Dicken oder ein ungleichmäßiges Feuchtequerprofil aufweisen, was die Qualität des Endproduktes erheblich schmälern kann.
Derartige Positionen befinden sich beispielsweise in der Pressenpartie, wo die Faserstoffbahn zwischen Press- oder Saugpresswalzen entwässert wird, in Streichaggregaten, wo die Faserstoffbahn mit einem Strich versehen oder geleimt wird, oder in Glättwerken bzw. Kalandern, wo die Faserstoffbahn Glanz und Glätte für hochwertige Anwendungen erhält.
Der Stand der Technik kennt eine Vielzahl von Systemen, welche bei laufender oder bei stehender Maschine die Möglichkeit bieten, Messwerte im Walzenspalt aufzunehmen und zu analysieren. Auch die Auswahl an Sensoren, die für derartige Anwendungen in Frage kommen, umfasst eine große Bandbreite an Möglichkeiten. Hier sind in der Vergangenheit insbesondere Dehnmessstreifen, piezoelektrische Sensoren und Glasfasersensoren zur Anwendung gelangt.
Beispielsweise ist aus der US 7,305,894 B ein System zur Messung von Parametern in einem Walzenspalt für eine bahnverarbeitende Maschine wie eine Papier- oder Kartonmaschine bekannt, welches eine Sensorleiste und eine dazugehörige Schnittstellenelektronik aufweist. Die Sensoren sind in einer streifenförmigen Matte angeordnet, welche in den Walzenspalt eingelegt wird.
Weiterhin ist aus der US 6,225,814 BA ein Sensor für eine entsprechende Messvorrichtung bekannt, welcher länglich ausgebildet ist und im Wesentlichen eine Widerstandsschaltung aufweist, welche durch den im Walzenspalt herrschenden Druck betätigt wird. Der Sensor wird so in den Walzenspalt eingelegt, dass eine Erstreckungsrichtung des länglichen Sensors mit der Maschinenrichtung zusammenfällt. Je nach Länge des Walzenspaltes wird der Widerstand in dem Sensor größer oder kleiner, woraus ein Rückschluss auf die Ausdehnung des Walzenspaltes in Maschinenrichtung gezogen werden kann.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist insbesondere die Empfindlichkeit der Sensorik in Bezug auf Temperatureinflüsse. Dementsprechend muss stets eine Kalibrierung erfolgen, welche insbesondere in Positionen, an denen eine beheizte Walze gegen eine nicht beheizte Walze läuft, beispielsweise in Kalandern, schwierig ist, da ungleiche Temperaturprofile der Walzen die Messwerte verfälschen können.
Die Elektronik umfasst oft Multiplexingsysteme, die neben der Hardware eine ausgereifte Auswertesoftware benötigen, die ebenfalls mit großem Entwicklungsaufwand und entsprechenden Kosten erstellt werden muss.
Es ist entsprechend Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nipbreite In Walzenpressen, Kalandernips und anderen Walzennips in Papiermaschinen und papierverarbeitenden Maschinen bei stehender Maschine anzugeben, welche die bekannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Mehrzahl von Messkondensatoren eine aktive Abschirmung gegenüber elektrischen Feldern aufweist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine signifikante Temperaturabhängigkeit vorliegt. Ebenso ist ein hohes Maß an Stabilität auch bei hohen Drücken gewährleistet. Durch die aktive Abschirmung ist es möglich, eine nahezu störungsfreie Messanordnung zu erhalten, die durch äußere elektrische Felder unbeeinflusst bleibt. Messergebnisse können somit mit großer Genauigkeit ermittelt werden.
Weitere vorteilhafte Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die aktive Abschirmung erste Schirmfolien gebildet ist, welche an den Kondensatorplatten angeordnet sind. Schirmleiterbahnen, welche die Kondensatorplatten zumindest teilweise umfassen und in einer Ebene mit den Kondensatorplatten angeordnet sein können, sorgen für eine Abschirmung gegen seitliche Störfelder.
Bevorzugt können zweite Schirmfolien mit der zweiten Kondensatorplatte elektrisch verbunden und auf Masse gelegt sein.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass ein Potential auf der ersten Kondensatorplatte und ein Potential auf der ersten Schirmfolie sowie den Schirmleiterbahnen so aufeinander einstellbar sind, dass das Potential auf der ersten Schirmfolie sowie den Schirmleiterbahnen gleich dem Potential der ersten Kondensatorplatte ist. Dadurch können externe Störfelder sehr effektiv ausgeschaltet werden.
Bevorzugt können die Mehrzahl von Messkondensatoren mit zumindest einer Schaltung zur Kapazitätserfassung der Mehrzahl von Messkondensatoren in Abhängigkeit von einer Länge des Walzenspaltes in Maschinenrichtung betrachtet verbunden sein.
Vorzugsweise kann die Schaltung zumindest eine RC-Oszillatorschaltung zur Messung der Kapazität mittels des zyklischen Ladens und Entladens der Mehrzahl von Messkondensatoren aufweisen.
Bevorzugt kann pro Messkondensator eine zugeordnete Schaltung vorgesehen sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die eine oder mehrere Schaltungen mit zumindest einer Übertragungseinheit verschaltet sein.
Vorzugsweise ist zumindest eine Auswerteeinheit vorgesehen, die kabellos oder über eine Kabelverbindung mit der Übertragungseinheit kommuniziert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen ein, dass die Kondensatorplatten jeweils in Form von Streifen ausgebildet sind, wobei die Streifen jeweils so ausgerichtet sind, dass ihre längere Ausdehnungsrichtung in einer Maschinenrichtung orientiert ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine der Kondensatorplatten in Form von Streifen und die andere in Form einer einstückigen Platte ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ist besonders einfach anwendbar.
Bevorzugt kann die aktive Abschirmung an den streifenförmigen Kondensatorplatten vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der Kondensatorplatten auf einem Träger angeordnet ist.
Weiterhin bevorzugt können die Kondensatorplatten als Metallfolie aus Aluminium, Messing, Kupfer oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material in Form von leitenden Folien oder in Form von auf die Träger oder auf eine Flexplatine in geeigneter Weise aufgebrachte leitenden Schichten ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhaft beschrieben. in den Figuren zeigen:
1 eine stark schematisierte seitliche Schnittansicht eines einzelnen Kondensators, welcher zur Anwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet ist,
2 eine Aufsicht auf den Kondensator gemäß 1 in einer schmetterlingsartig aufgeklappten Ansicht,
3 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators mit einer aktiven Abschirmung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer aufgeklappten Ansicht,
4 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messsegments einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung,
5 eine stark schematisierte perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einem Walzenspalt vor dem Schließen desselben angeordnet ist,
6 eine Prinzipskizze zur Verformung zweier Walzen unter Last,
7 eine vereinfachte Skizze des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem geschlossenen Walzenspalt und ein dazugehöriges Ersatzschaltbild
8 eine schematische Darstellung der Lade- und Entladezyklen eines Messkondensators für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
9 ein Schaltbild für eine aktive Abschirmung für einen Messkondensator für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, und
10 ein Schaltbild eines RC-Oszillators zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Breite eines Walzenspalts 15 zwischen zumindest zwei Walzen 13, 14 in Maschinenrichtung – im Folgenden mit MD (machine direction) abgekürzt – gesehen auf Basis eines kapazitiven Messverfahrens anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.
Ein derartiger Walzenspalt 15 ist in vielen Positionen in einer Maschine zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn zu finden. Dabei können Walzen 13, 14 aus verschiedenen Materialien sowie unterschiedlicher Härten und Oberflächengestaltung gegeneinanderlaufen. Es ist beispielsweise möglich, eine Walze 14 mit einer relativ weichen Oberfläche wie z. B. mit einem Bezug aus Polyurethan und eine harte Walze 13 mit einer keramischen Spritzschicht zu kombinieren. Die harte Walze 13 wird sich nach dem Schließen des Walzenspaltes 15 in den Bezug der weicheren Walze 14 eindrücken und dabei deren Bezug verformen. Eine theoretisch linienförmige Berührungszone wird somit zu einer Kontaktfläche ausgeweitet werden. Die Breite der Kontaktfläche in MD hängt dabei von diversen Faktoren wie der Härte der jeweiligen Walzenbezüge und dem Druck ab. Schematische Darstellungen der Verformung sind den 6 und 7 zu entnehmen, die weiter unten genauer beschrieben sind.
Sind die Walzen 13, 14 gegeneinander schräg gestellt, beispielsweise durch schlechte Lagerung in der Maschinenstuhlung, oder ist die Bombierung zumindest einer der Walzen 13, 14 nicht korrekt gewählt, wird sich als Folge davon die Kontaktfläche im Walzenspalt 15 verformen. Dadurch kann es durch ungleichmäßige Linienlast im Walzenspalt 15 zu einer ungleichmäßigen Entwässerung der den Walzenspalt 15 durchlaufenden Faserstoffbahn kommen, so dass nach einem Pressnip ein ungleichmäßiges Feuchtequerprofil der Faserstoffbahn auftreten kann.
Der Papiermacher hat somit Interesse daran, die in einem Walzenspalt 15 herrschenden Bedingungen zu überwachen. Dies kann sowohl im Betrieb als auch bei Stillstand der Faserbahnmaschine geschehen. Während ersteres mit einem hohen Maß an Entwicklung und kostspieligem technischen Equipment verbunden ist, kann letzteres in relativ einfacher Weise geschehen, wobei trotzdem wichtige Messdaten ermittelt werden können.
Im Folgenden werden beispielhaft Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung 1 zur Ermittlung der Breite des Walzenspalts 15 beschrieben, welche zur Anwendung bei Stillstand der Faserbahnmaschine geeignet ist.
Das der Vorrichtung 1 zugrundeliegende Prinzip ist dabei die Messung einer Kapazität zumindest eines Messkondensators 7. In 1 ist in einer stark schematischen seitlichen Ansicht ein solcher Messkondensator 7 beispielhaft dargestellt.
Der Messkondensator 7 weist im Wesentlichen zwei einander gegenüberliegende Träger 2 auf, welche beispielsweise in Form von Folien ausgebildet sein können, Die Träger 2 sind flexibel und können sich dadurch der Form der Walzen 13, 14 anpassen.
Als Trägern können mechanisch robuste Polymerfolien mit ausreichender Flexibilität verwendet werden. Es können auch verstreckte oder hochverstreckte Folien eingesetzt werden. Bevorzugt sind hochverstreckte Folien aus Polyethylenterephtalat (PET) und Polyethylennaphtalat (PEN) sowie Folien aus Polyimid. Die Dicke der Träger 2 liegt bevorzugt im Bereich von 200 bis 500 μm.
Die Träger 2 können in einer bevorzugten Ausführungsform durch erste und zweite Abstandshalter 3a, 3b miteinander verbunden sowie durch diese voneinander beabstandet sein. In 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit zunächst nur die ersten Abstandshalter 3a dargestellt. Die zweiten Abstandshalter 3b werden unter Bezugnahme auf 2 genauer erläutert.
Durch die in MD orientierten ersten Abstandshalter 3a wird im nicht komprimierten Zustand des Messkondensators 7 ein Basisabstand zwischen den Trägern 2 definiert und aufrechterhalten. Die ersten Abstandshalter 3a sind elastisch deformierbar und können beispielsweise in Form von Schaumstoffstreifen ausgebildet sein, die einerseits stark kompaktiert werden können und andererseits ein starkes Rückstellvermögen aufweisen. Bevorzugt werden Polyurethanweichschäume mit niedriger Dichte verwendet. Die Höhe der ersten Abstandshalter 3a liegt bevorzugt bei 2 bis 10 mm, besonders bevorzugt bei 4 bis 6 mm.
Die ersten Abstandshalter 3a werden bevorzugt in der Breite von ca. 6 bis 20 mm eingesetzt. Es muss gewährleistet sein, dass der Schaumstoff auf eine Höhe komprimierbar ist, die der Summe der Dicke von Kondensatorplatten 4a, 4b des Messkondensators 7 zuzüglich einer nicht weiter dargestellten Klebeschicht und eines Dielektrikums 5 entspricht.
Die Träger 2 sind mit einander gegenüberliegenden. Kondensatorplatten 4a, 4b ausgestattet. Als Kondensatorplatten 4a, 4b werden bevorzugt Metallfolien z. B. aus Kupfer, Messing oder Aluminium eingesetzt. Auch andere leitfähige nichtmetallische Materialien sind denkbar. Diese werden z. B. mittels dünner Klebefilme auf die Träger 2 aufgebracht. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von metallisierten Trägern 2, insbesondere von metallisierten Trägerfolien, oder von Flexplatinen 6.
Des Weiteren ist denkbar, die Kondensatorplatten 4a, 4b ohne Träger 2 anzuwenden. Für eine entsprechende Isolierung gegenüber einer eventuell metallischen Oberfläche einer Walze 13, 14 ist in diesem Fall zu sorgen.
Zwischen den Kondensatorplatten 4a, 4b ist ein Dielektrikum 5 angeordnet, welches ebenfalls vorzugsweise folienförmig ausgebildet ist, damit es sich an die Oberflächenform der Walzen 13, 14 anpassen kann. Als Dielektrikum 5 wird bevorzugt PET, PEN oder Polyimid verwendet. Prinzipiell eignen sich auch andere Werkstoffe. Generell sind Werkstoffe mit einheitlicher Dicke und einer möglichst hohen Dielektrizitätskonstante vorteilhaft, da diese eine höhere Empfindlichkeit des Messkondensators 7 bewirken. Die Dicke des Dielektrikums 5 liegt bevorzugt zwischen 50 und 350 μm, besonders bevorzugt zwischen 120 und 200 μm.
Um den Aufbau des Messkondensators 7 zu vereinfachen, ist es auch möglich, eine der Kondensatorplatten 4a, 4b in Form einer metallbedampften Kunststofffolie auszuführen und die Kondensatorplatte 4a, 4b dann so anzuordnen, dass die Kunststofffolie als Dielektrikum 5 dient und die Metallschicht als Kondensatorplatte 4a, 4b. Das Element wird auf eine der Trägerfolien 2 z. B. aufgeklebt, und zwar mit der metallischen Seite zur Trägerfolie 2 hin. Die Foliendicke entspricht in diesem Fall der Dicke des Dielektrikums 5 zuzüglich der Dicke der Metallschicht.
Zur Abschirmung von äußeren elektrischen Feldern bzw. von die Kapazität verändernden äußeren Einflüssen z. B. sich annähernder oder sich bewegender leitfähiger Körper wie der Walzen 13, 14 befindet sich zumindest auf einem der Träger 2 jeweils eine Schirmfolie 20a, 20b, welche mindestens die Größe der Kondensatorplatten 4a, 4b aufweist oder sich vorzugsweise vollflächig über die Träger 2 erstreckt. Die Schirmfolie 20a, 20b überdeckt in jedem Fall die Kondensatorplatte 4b vollflächig.
Die jeweils sich gegenüberliegenden Schirmfolien 20a, 20b sind elektrisch miteinander verbunden und schirmen den innenliegenden Messkondensator 7, der durch die beiden Kondensatorplatten 4a, 4b gebildet wird, vor äußeren elektrischen Feldern ab. Die leitfähigen Schichten 20a, 20b können beispielsweise in Form von einer dünnen Metallfolie auf den Träger 2 aufgebracht werden. Möglich sind hier Ausführungen von Edelstahlfolien mit z. B. 25 μm Dicke, welche in selbstklebender Ausführung erhältlich sind. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von metallisierten Trägern 2, z. B. mit Aluminium bedampften Folien. Die Schirmfolie 20b liegt auf Masse.
Die sich gegenüberliegenden Kondensatorplatten 4a, 4b sind bevorzugt so ausgeführt, dass eine der Kondensatorplatten 4a, 4b geringfügig größer ist als die andere. Dies sollte vorzugsweise sowohl in der Länge als auch in der Breite zutreffen.
Die Kondensatorplatten 4a, 4b sind bevorzugt zwischen 1 und 6 cm, besonders bevorzugt zwischen 3 und 5 cm breit. Die Länge beträgt bevorzugt zwischen 12 und 40 cm, besonders bevorzugt zwischen 16 und 30 cm. Ebenso ist es möglich, mehrere Kondensatorplatten 4b, die nebeneinander auf einem der Träger 2 angebracht sein können, miteinander zu verbinden bzw. als eine durchgehende Kondensatorplatte 4a, 4b auszuführen. Die Breiten der Kondensatorplatten 4a, 4b sind dann jeweils entsprechend zu wählen.
In 2 ist zur Verdeutlichung der obigen Beschreibung eine aufgeklappte Ansicht eines Messkondensators 7 dargestellt. Hierbei ist sind die beiden Kondensatorplatten 4a, 4b in schmetterlingsartiger Weise aufgeklappt und mit ihren jeweils nach innen gerichteten Flächen dem Betrachter zugewandt gezeigt. Es sind die Überlappungen der Kondensatorplatten 4a, 4b mit dem Dielektrikum 5 ersichtlich, wie in 2 links erkennbar. Das Dielektrikum 5 bedeckt die darunter angeordnete Kondensatorplatte 4a, 4b vollflächig und ragt allseits noch um ein gewisses Übermaß darüber hinaus.
In 2 sind weiterhin die oben erwähnten zweiten Abstandshalter 3b erkennbar, welche rechtwinkelig zu den ersten Abstandshaltern 3a angeordnet sind. Die zweiten Abstandshalter 3b sind in Maschinenquerrichtung – im Folgenden als CD (cross machine direction) bezeichnet – orientiert und dienen der Stabilisierung des Messkondensators 7. Beim Schließen des Walzenspaltes 15 und in der Messphase ist es unabdingbar, dass die nicht an der Messung beteiligten Teile des Messkondensators 7 voneinander beabstandet bleiben, wofür die Abstandshalter 35, 3b sorgen. Die zweiten Abstandshalter 3b können dabei in ihrer Dimension und Gestaltung ähnlich oder identisch zu den ersten Abstandshaltern 3a ausgebildet sein. Alternativ ist es möglich, die zweiten Abstandshalter 3b aus einem Material auszubilden, welches nicht oder nicht so stark kompaktierbar ist wie das Material der ersten Abstandshalter 3a.
Grundsätzlich ist es denkbar, die Messkondensatoren 7 auch ohne Abstandshalter 3a und 3b zu betreiben. Die Abstandshalter 3a und 3b sind nicht zwingend notwendig für die Messung, sie erleichtern jedoch die Handhabung erheblich.
Die Vorrichtung 1 ist grundsätzlich – wie vorstehend erwähnt – so aufgebaut, dass mehrere Kondensatoren 7 nebeneinander in CMD angeordnet sind. Um die gesamte axiale Länge der Walzen 13, 14 von bis zu aber 10 m abzudecken, wird entweder eine einstückige Vorrichtung 1 in voller Länge oder eine aus mehreren kürzeren Messsegmenten 11 zusammengesetzte Vorrichtung 1 in den Walzenspalt 15 eingebracht. Die Messsegmente 11 können in geeigneter Weise nebeneinander positioniert werden und/oder miteinander mechanisch verbunden sein. in 5 ist stark schematisiert in einem Walzenspalt 15 zwischen zwei Walzen 13, 14 eine Vorrichtung 1 dargestellt, welche dreiteilig mit jeweils fünf Kondensatoren 7 ausgeführt ist.
Die Vorrichtung 1 bzw. die Messsegmente 11 werden zur Durchführung der Messung im Stillstand der Faserbahnmaschine zwischen die Walzen 13, 14 gelegt. Es kann eine Befestigung auf einer der Walzen 13, 14 mit geeigneten Mitteln wie Klebestreifen, Spanngurten o. ä. erfolgen, damit die Vorrichtung 1 bzw. die bereits zusammenhängenden oder auch noch nicht miteinander verbundenen Messsegmente 11 ihre Position nicht verändern können.
Danach wird der Walzenspalt 15 geschlossen. Dabei passen sich die gegenüberliegenden Träger 2 mit den Kondensatorplatten 4a, 4b in einem Teilbereich der ihnen direkt benachbarten Walzenoberfläche an. Dies ist schematisiert aus 7 ersichtlich. Dort, wo ein direkter durchgehender Kontakt zwischen den Walzen 13, 14 über die Vorrichtung 1 besteht, liegen die Kondensatorplatten 4a, 4b auf geringstmöglichem Abstand. Zwischen den Kondensatorplatten 4a, 4b befindet sich nur das Dielektrikum 5, welches eine deutlich höhere Dielektrizitätskonstante als Luft aufweist. Es wird somit im Kontaktbereich die maximale Kapazität erreicht.
Außerhalb des direkten Kontaktbereiches werden die Träger 2 aufgrund der Abstandshalter 3a und 3b auseinandergedrückt und an die Walzenoberfläche angelegt. Hier ist der Abstand der Kondensatorplatten 4a, 4b entsprechend größer. Neben dem Dielektrikum 5 befindet sich Luft zwischen den Kondensatorplatten 4a, 4b. Wiederum angrenzend zu diesen Bereichen, wenn also der Walzenspalt 15 größer wird als der Basisabstand der Träger 2, ist der Abstand der Kondensatorplatten 4a, 4b bedingt durch die spreizende Wirkung der Abstandshalter 3a, 3b maximal. Neben dem Dielektrikum 5 befindet sich ebenfalls Luft zwischen den Kondensatorplatten 4a, 4b. Die an den Kondensatorplatten 4a, 4b gemessene Gesamtkapazität C1 setzt sich aus den Beiträgen der Teilkapazitäten der vorstehend aufgeführten Bereiche zusammen.
In 7 ist zur Verdeutlichung der diversen zusammenwirkenden Kapazitätsanteile im Messkondensator 7 ein entsprechendes Ersatzschaltbild dargestellt, welches die verschiedenen Bereiche mit unterschiedlicher Beabstandung der Kondensatorplatten 4a, 4b zeigt.
In Abhängigkeit vom Durchmesser der Walzen 13, 14, der geometrischen Größen und der Materialkenngrößen kann aus der gemessenen Kapazität C1 die Länge des direkten Kondensatorkontaktes, welcher die Breite des Walzenspalts 15 in MD beschreibt, berechnet werden.
In 6 ist das Modell für einen symmetrischen Walzenspalt 15 skizziert, bei dem zwei zueinander parallele Walzen 13, 14 mit identischem Radius und identischer Härte eine rechteckige langgestreckte Kontaktfläche bilden. Diese Anordnung wird im Rahmen des Hertzschen Kontaktmodells als Walzenpressung bezeichnet. Die Breite des Walzenspalts 15 b_nip in MD betrachtet hängt über
mit dem einfachen „Überlapp” l der zwei Walzen zusammen. Für eine asymmetrische Anordnung mit unterschiedlichen Walzenradien kann die Breite des Walzenspalts 15 ebenfalls eindeutig angegeben werden, jedoch muss hierfür das Nipmodell dementsprechend modifiziert werden. Gleiches gilt für Anordnungen mit Walzenbezügen unterschiedlicher Härte, in denen sich die Kontaktfläche des Walzenspaltes 15 an der Geometrie des härteren Walzenbezugs ausrichtet.
Die Berechnung der Kapazität für einen einzelnen Kondensator 7 im Walzenspalt erfolgt anhand des in 7 unten skizzierten Ersatzschaltbildes. Über die Länge L des Kondensators 7 variiert der Abstand d(x) der zwei Kondensatorplatten 4a, 4b und kann für eine symmetrische Nipanordnung, d. h. für zwei Walzen 13, 14 mit identischem Radius R und identischer Härte, berechnet werden zu
Hierbei beschreibt D den durch den Abstandshalter 3.1, 3.2 vorgegebenen maximalen Abstand der Kondensatorplatten 4a, 4b, x den horizontalen Abstand von der auf die Kontaktfläche projizierten Walzenachse, l den in 6 erläuterten einfachen „Überlapp” der zwei Walzen 13, 14 und d_di die Dicke des Dielektrikums 5.
Die Gesamtkapazität der Anordnung kann nun anhand des Ersatzschaltbildes als Summe einzelner parallelgeschalteter Kapazitäten dC(x) unterschiedlicher Größe berechnet werden. Die einzelnen „Ersatz-Kondensatoren” sind teilweise mit einem Dielektrikum 5 gefüllt, teilweise luftgefüllt. im Bereich der Kontaktfläche sind sie komplett mit einem Dielektrikum 5 gefüllt. Ihre Kapazität berechnet sich gemäß der Reihenschaltung zweier Kapazitäten als
wobei dC₁ die Kapazität des mit Dielektrikum 5 gefüllten Kondensatoranteils beschreibt, dC₂ die Kapazität des luftgefüllten Kondensatoranteils und b die Breite der Kondensatorplatte 4 in CMD:
Hierbei ist ε₀ die elektrische Feldkonstante und ε_r die relative Permittivität des Dielektrikums 5. Die Gesamtkapazität der Vorrichtung 1 berechnet sich somit als
Die Kapazität wächst als Funktion der Breite des Walzenspalts 15 monoton an, ist aber über den gesamten Messbereich nicht-linear. Damit kann die Breite des Walzenspalts 15 anhand des vorangestellten Nipmodells und mit Kenntnis der Durchmesser der Walzen 13, 14 sowie der Geometrie der Messkondensatoren 7 eindeutig aus der gemessenen Kapazität berechnet werden.
Nach den vorstehenden Bemerkungen zur allgemeinen Ausführung der Messsensorik wird im Folgenden näher auf den Betrieb derselben und die bevorzugte Ausführung der zugrundeliegenden Elektronik eingegangen.
Nachfolgend wird beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Breite eines Walzenspalts 15 beschrieben, welche auf einem kapazitiven Messverfahren mit aktiver Abschirmung – auch als active shielding bezeichnet – basiert. Die Abschirmung dient der Reduktion externer Störfelder, wobei durch eine aktive Beschaltung der Einfluss auf die zu messende Kapazität minimiert wird. Die Messung der Kapazität erfolgt bevorzugt mittels einer RC-Oszillatorschaltung.
Die Messung der Kapazität eines Kondensators 7 erfolgt hierbei über das zyklische Laden und Entladen des Kondensators 7. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die für die. Ladung bzw. Entladung eines Kondensators 7 der Kapazität C über einen Zuleitungswiderstand R_C charakteristische Zeitkonstante τ durch das Produkt aus Zuleitungswiderstand und Kapazität zu τ = R_C·C gegeben ist. Sowohl die Ladung als auch die Entladung des Kondensators 7 folgt dabei einem Exponentialgesetz, wobei der zeitliche Spannungsverlauf am Kondensator 7 beim Laden mit der Ladespannung U₀ gegeben ist als U_C(t) = U₀[1 – exp(–t/τ)], beim Entladen entsprechend als U_C(t) U_max·exp(–t/τ), wobei U_max die Spannung des geladenen Kondensators ist. D. h. sowohl die Lade- als auch die Entladezeit erhöht sich mit wachsendem Zuleitungswiderstand R_C bzw. mit wachsender Kapazität C. Wird die Ladung bzw. Entladung des Kondensators 7 – wie im Folgenden näher beschrieben – zyklisch bei Überschreitung bzw. Unterschreitung von Schwellwertspannungen getriggert, kann am Kondensator 7 eine oszillierende Spannung, wie in 8 skizziert, gemessen werden. Die Frequenz der Oszillation ist hierbei umgekehrt proportional zur Zeitkonstanten τ und damit zum Wert von R_C·C. Bei Kenntnis des Zuleitungswiderstands R_C sowie der Triggerspannungen kann somit die Kapazität aus der Oszillationsfrequenz bzw. Triggerfrequenz berechnet werden.
Grundsätzlich sind auch andere Methoden zur Messung der Kapazität bekannt und mit geeigneter Elektronik für die gegenständliche Erfindung anwendbar. Hier wären folgende Verfahren beispielhaft zu nennen:

1.) Messung der auf- und abfließenden Ladungen bei anliegender Gleichspannung mittels eines Ladungsverstärkers. Dies erlaubt die Messung von schnellen Kapazitätsänderungen.
2.) Amplitudenmodulierte Messung: beim Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung kann der Blindstrom zur Messung der Kapazität herangezogen werden (bei kapazitiven Verbrauchern fließt neben dem durch ohmsche Verbraucher umgesetzten Wirkstrom ebenfalls ein Blindstrom, der keine Leistungsübertragung bewirkt, aber zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung führt).
3.) Frequenzmodulierte Messung: durch Zusammenschalten der Kapazität C mit einer Induktivität L entsteht ein Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz sich proportional zu 1/sqrt(LC) verhält. Eine Änderung der Kapazität bewirkt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz, die einfach gemessen werden kann.

Zur aktiven Abschirmung von äußeren elektrischen Feldern sind erste Kondensatorplatten 4a auf der Rückseite und flächig ausgebildet mit elektrisch leitfähigen flächigen bzw. leiterbahnartigen Schirmstrukturen 20 abgeschirmt, wie in den 1 bis 4 ersichtlich. Die Schirmstrukturen 20 und die Kondensatorplatten 4a werden wie in 9 und 10 gezeigt mit einem geeigneten Operationsverstärker verschaltet.
Das Messprinzip erfasst die Größe eines Kondensators 7, dessen Wert sich in Abhängigkeit von mechanischen Größen, in diesem Fall abhängig von der Breite des Walzenspaltes 15, ändert. Die Kapazität dieses Kondensators 7 ist im Ausgangszustand klein und beträgt ca. 10–100 pF. Der Messkondensator (C_m) wird gebildet aus den beiden Kondensatorplatten 4a und 4b.
Um die Vorrichtung 1 von äußeren elektrischen Störungen abzukoppeln, ist es zweckmäßig, den Messkondensator 7 gewissermaßen in einen Faraday'schen Käfig zu platzieren. Die Schirmstrukturen 20 bilden dabei zusammen mit dem Messkondensator 7 eine zusätzliche Kapazität C_p. C_p wird gebildet aus der bereits weiter oben erwähnten ersten Schirmfolie 20a und der Kondensatorplatte 4a. Da die zweite Schirmfolie 20b im Bereich von Kondensatorplatte 4b mit dieser elektrisch verbunden wird, entsteht hier kein zusätzlicher Kondensator. Aufbaubedingt ist die Kapazität C_p wertmäßig sehr viel größer als C_m.
Zur seitlichen Abschirmung der Kondensatorplatten 4a, 4b sind weiters Schirmleiterbahnen 21 vorgesehen, welche in einer Ebene mit den Kondensatorplatten 4a, 4b ausgebildet sind und diese zumindest teilweise umfassen.
Um eine gute Messauflösung im Bereich von 100–500 fF zu erreichen, ist die hohe Kapazität von C_p sehr hinderlich. Aus diesem Grund wird eine aktive Abschirmung oder Active Shielding eingesetzt, um die Wirkung von C_p zu kompensieren.
Zum besseren Verständnis sollte man sich zunächst die erste Schirmfolie 20a und die Schirmleiterbahnen 21 als nicht angeschlossen denken. In diesem Fall wirkt nur der Messkondensator 7, der aus den Kondensatorplatten 4a und 4b gebildet ist. Eine Schaltung erfasst nun das Potential an Kondensatorplatte 4a. Wenn man dieses nun in idealer Weise auf die Schirmfolie 20a und die Schirmleiterbahn 21 gibt, ändert dies zunächst einmal nichts an dieser Schaltung. Es ist weiterhin nur der Kondensator C_m wirksam. Allerdings ändert sich der Einfluss der äußeren elektrischer Felder auf den Messkondensator 7. Bei einer idealen Schaltung würden diese äußeren Felder nicht auf die Kondensatorplatte 4a gelangen, da das Potential der Schirmfolie 20a und der Schirmleiterbahnen 21 durch die Schaltung fest auf dem Potential von Kondensatorplatte 4a gehalten werden. Somit kann eine von äußeren elektrischen Feldern weitgehend störungsfreie Messanordnung realisiert werden, ohne den für die Kapazitätsmessung störenden hohen Kapazitätswert C_p mit zu erfassen.
Daraus leiten sich gewisse Forderungen an die oben angesprochene Schaltung ab:

• Die Schaltung muss einen hohen Eingangswiderstand haben, um nicht das Potential der Kondensatorplatte 4a zu verändern.
• Die Schaltung darf nur eine kleine Eigenkapazität haben, um das Messergebnis nicht zu verfälschen.
• Die Schaltung muss dem Potential an Kondensatorplatte 4a möglichst ohne Zeitverzug folgen, denn sonst bildet sich zwischen Kondensatorplatte 4a und Schirmfolie 20a ein endliches elektrisches Feld und damit wirkt die Schirmkapazität C_p wieder auf das Messergebnis.
• Die Schaltung muss einen niedrigen Ausgangswiderstand haben, damit die störenden äußeren elektrischen Felder nicht das Potential der Schirmfolien 20 verändern und damit auf den Messkondensator 7 einwirken können.

An Pin 3 des OPA – Optical parametric amplifier, optisch parametrischer Verstärker – in 9 wird das Potential der Kondensatorplatte 4a erfasst. Dieses wird über Pin 1 niederohmig an die Schirmfolie 20a und die Schirmleiterbahnen 21 weitergegeben. Damit ist deren Potential festgelegt und äußere Felder, welche auf die Schirmfolie 20a bzw. die Schirmleiterbahnen 21 einwirken, werden durch den niederohmigen Ausgang abgehalten bzw. über entsprechende Ausgleichströme abgeleitet.
Eine „C to f” Schaltung soll den Kapazitätswert C_m in eine entsprechende Frequenz f umsetzen. Dies geschieht mittels einer RC-Oszillatorschaltung, welche schematisch in 10 dargestellt ist.
Die RC-Oszillatorschaltung besteht aus zwei Teilen: einer RC-Schaltung (R_m/C_m), welche den eigentlich Frequenz bestimmenden Teil darstellt, und, einem Schmitt-Trigger, der aus einem Komparator und drei Widerständen gebildet ist.
Der Schmitt-Trigger ist ein analoger Komparator mit Mitkopplung. Er arbeitet als Vergleicher für zwei analoge Spannungen und funktioniert als Schwellenwertschalter: bei Überschreiten einer bestimmten im Schmitt-Trigger eingestellten Schwellspannung nimmt der Ausgang bei der nicht invertierenden Ausführung die maximal mögliche Ausgangsspannung (logisch 1) an, im anderen Fall die minimal mögliche Ausgangsspannung (logisch 0). Bei der invertierenden Ausführung verhält sich der Ausgang umgekehrt. Ausgangsspannungen zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert kommen im statischen Betrieb nicht vor. Durch die Mitkopplung besitzt er im Gegensatz zum reinen Komparator unterschiedliche Ein- und Ausschaltschwellen, die um den Hysterese genannten Wert auseinanderliegen.
Überschreitet die Eingangsspannung bei einem invertierenden Schmitt-Trigger die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers, so kippt seine Ausgangsspannung vom maximalen Spannungswert auf den minimalen Spannungswert. Unterschreitet die Eingangsspannung anschließend die untere Schaltschwelle, so kippt die Ausgangsspannung zurück auf die maximale Ausgangsspannung.
Der Komparator vergleicht somit die Spannungen an den Eingängen Pin 1 und Pin 3. ist die Spannung an Pin 3 positiver als an Pin 1, so ist der Ausgang auf VCC – voltage at the common collector, positive Versorgungsspannung – geschaltet. ist die Spannung an Pin 3 negativer als an Pin 1, so ist der Ausgang auf GND – ground, Erdung – geschaltet.
Durch die positive Rückkopplung des Ausgangssignals über R3 entstehen zwei unterschiedliche Schaltschwellen. Bei den gewählten Werten betragen diese 0,25·VCC bzw. 0,75·VCC.
Beim Start der Messung/Schaltung ist der Kondensator Cm entladen. Die Spannung am Pin 1 beträgt somit 0 V, während die Spannung am Pin 3 durch R1 größer als 0 V ist. Damit schaltet der Komparator-Ausgang auf VCC, wodurch die Spannung an Pin 3 nun 0,75·VCC beträgt. Über den Komparator-Ausgang und Rm wird der Kondensator Cm aufgeladen. Übersteigt die Spannung an Pin 1 des Komparators 0,75·VCC, so ist die Differenz zwischen Pin 3 und Pin 1 negativ und der Komparator-Ausgang schaltet auf GND = 0 V. Damit wird aber auch die Spannung an Pin 3 auf 0,25·VCC gesenkt. Erst wenn der Kondensator Cm auf unter 0,25·VCC entladen wurde, schaltet der Ausgang erneut auf VCC und der Vorgang beginnt erneut.
Eine mögliche Ausführungsform für eine geschirmte Kondensatorplatte 4a kann in Form einer beidseitig mit flächigen Kupferstrukturen beschichteten Flexplatine erzeugt werden, wie in 3 dargestellt. Auf einer Seite sind die Kondensatorplatten 4 mit den in der Ebene liegenden Schirmleiterbahnen 21 aufgebracht, auf der Rückseite sind die flächigen Schirmstrukturen 20a aufgebracht. Auf der Flexplatine sind Kontaktpads und Zuleitungen zur Kontaktierung der einzelnen Schirmstrukturen 20a und der Kondensatorplatte 4a vorhanden. Die elektronischen Bausteine zur aktiven Abschirmung und der RC-Oszillatorschaltung sind bevorzugt über möglichst kurze, ebenfalls geschirmte Leiterbahnen mit der Kondensatorplatte 4a und den Schirmstrukturen 20a elektrisch verbunden.
Die Kondensatorplatten 4b können segmentiert oder als eine große Kondensatorplatte 4b vollflächig ausgeführt sein, wie in 4 dargestellt. Bei segmentierter Ausführung sind die segmentierten Kondensatorplatten 4b miteinander elektrisch leitfähig verbunden. Wie in 9 gezeigt, sind die Kondensatorplatten 4b elektrisch auf Masse geschaltet.
Die Kondensatorplatten 4b können z. B. als Kupfer- oder Messingstreifen oder in vollflächiger Ausführung in Form einer mit Aluminium oder Kupfer beschichteten Trägerfolie 2 ausgeführt sein. Zur sicheren Abschirmung kann eine weitere vollflächige oder segmentierte passive Schirmschicht elektrisch isoliert zur Schicht 20a hinter dieser angebracht sein, welche auf Masse geschaltet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale miteinander kombinierbar.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Träger
3a: Abstandshalter, elastisch deformierbar
3b: Abstandshalter, elastisch deformierbar oder fest
4: Kondensatorplatten
4a: erste Kondensatorplatte
4b: zweite Kondensatorplatte
5: Dielektrikum
6: Flexfolie
7: Messkondensator
8: Schaltung
9: Sende-/Empfangseinheit
11: Messsegment
12: Zuleitungen
13: Oberwalze
14: Unterwalze
15: Walzenspalt
20: Schirmstruktur
20a: erste Schirmfolie
20b: zweite Schirmfolie
21: Schirmleiterbahnen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7305894 B [0005]
US 6225814 BA [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zur Erfassung von Messwerten in einem Walzenspalt (15) zwischen zwei Walzen (13, 14) insbesondere in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung eine Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn, wobei die Vorrichtung (1) in den Walzenspalt (15) einlegbar ist und eine Mehrzahl von Messkondensatoren (7) mit Kondensatorplatten (4a, 4b) und einem zwischen den Kondensatorplatten (4a, 4b) angeordneten Dielektrikum (5) aufweist, wobei die Kondensatorplatten (4a, 4b) durch Abstandshalter (3a, 3b) voneinander beabstandet sind, wobei zumindest erste Abstandshalter (3a) elastisch deformierbar sind, und wobei durch eine Veränderung der Geometrie der Messkondensatoren (7) und eine daraus resultierende Änderung der Kapazität der Messkondensatoren (7) Signale erzeugbar sind, welche der Ermittlung der Nipbreite dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Messkondensatoren (7) eine aktive Abschirmung gegenüber elektrischen Feldern aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Abschirmung durch erste Schirmfolien (20a) gebildet ist, welche an den Kondensatorplatten (4a) angeordnet sind, sowie durch Schirmleiterbahnen (21), welche in einer Ebene mit den Kondensatorplatten (4a) liegend und diese zumindest teilweise einfassend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schirmfolie (20b) mit der zweiten Kondensatorplatte (4b) elektrisch verbunden und auf Masse gelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Potential auf der ersten Kondensatorplatte (4a) und ein Potential auf der ersten Schirmfolie (20a) und auf den Schirmleiterbahnen (21) so aufeinander einstellbar sind, dass das Potential auf der ersten Schirmfolie (20a) und auf den Schirmleiterbahnen (21) gleich dem Potential der ersten Kondensatorplatte (4a) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Messkondensatoren (7) mit zumindest einer Schaltung (8) zur Kapazitätserfassung der Mehrzahl von Messkondensatoren (7) in Abhängigkeit von einer Länge des Walzenspaltes in Maschinenrichtung betrachtet verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (8) zumindest eine RC-Oszillatorschaltung zur Messung der Kapazität mittels des zyklischen Ladens und Entladens der Mehrzahl von Messkondensatoren (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass pro Messkondensator (7) eine zugeordnete Schaltung (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Schaltungen (8) mit zumindest einer Übertragungseinheit (9) zur Übertragung der Messsignale oder der Messauswertung verschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Auswerteeinheit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (9) über eine Kabelverbindung oder kabellos mit der zumindest einen Auswerteeinheit kommuniziert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorplatten (4a, 4b) jeweils in Form von Streifen ausgebildet sind, wobei die Streifen jeweils so ausgerichtet sind, dass ihre längere Ausdehnungsrichtung in einer Maschinenrichtung (MD) orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kondensatorplatten (4a) in Form von Streifen und die andere Kondensatorplatte (4b) in Form einer einstückigen Platte ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Abschirmung an den streifenförmigen Kondensatorplatten (4a) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kondensatorplatten (4a, 4b) auf einem Träger (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorplatten (4a, 4b) als Metallfolie aus Aluminium, Messing, Kupfer oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material ausgebildet sind oder in Form von auf die Träger (2) oder eine Flexplatine (6) in geeigneter Weise aufgebrachte leitenden Schichten ausgebildet sind.