DE10215197B4

DE10215197B4 - Verfahren zur Bestimmung der Wickelhärte einer gewickelten Rolle sowie Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE10215197B4
Application number: DE2002115197
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Baumann; Matthias Goldammer; Sabine Rütz; Albrecht Dr. Sieber; Karl Dr. Stammberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2022-04-06
Also published as: DE10215197A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Wickelhärte einer gewickelten Rolle eines Bandmaterials, insbesondere einer Papierbahn oder einer Kunststofffolienbahn, bei welchem Verfahren die Rolle an einer ihrer Stirnseiten lokal mit einer definierten Wärmemenge erwärmt und die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit erfasst wird, die ein Maß für die lokale Wickelhärte um den Ort des Wärmeeintrags ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wickelhärte einer gewickelten Rolle eines Bandmaterials, insbesondere einer Papierbahn oder einer Kunststofffolienbahn oder einer Metallbandbahn.
Bei der Herstellung von Papier wird die breite Papierbahn am Ende der Papiermaschine zu sogenannten Tambouren aufgewickelt. Für die Weiterverarbeitung z.B. in Druckereien wird diese breite Bahn vom Tambour abgewickelt, auf die erforderliche Breite geschnitten und zu konfektionierten Rollen aufgewickelt. Bei diesem Prozess treten Wickelfehler auf, die bei Weiterverarbeitung z.B. in den Druckereien zu Problemen führen. Ein wesentliches Kriterium ist die Wickelhärte bzw. der Lagendruck. Um einen gezielten Wickelhärteverlauf über die gesamte Rolle zu gewährleisten ist es notwendig, die Wickelhärte zu messen. Dies gilt nicht nur für Papier, sondern auch für eine Vielzahl anderer nicht metallischer Stoffe, z.B. Kunststofffolie.

Zur Messung der Wickelhärte sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Eine umfangreiche Zusammenfassung ist in der Veröffentlichung "Roisum, David, The Mechanics of Winding, Chapter 2 "Roll quality mesurement", TAPPI-Press 1994" und in "Bos, J.H. u.a., Das Papierbuch, EPN-Verlag Houten, Niederlande, 1999" gegeben. Unterschieden wird grob zwischen drei Verfahrensarten:

a) Verfahren, die die Reaktion eines Schlages auswerten und eine Aussage über die Dichte des Wickels bzw. die Wickelhärte zumindest in einem größeren Ringbereich erlauben,
b) Verfahren, die den Druck zwischen den einzelnen Lagen messen, und
c) Verfahren, die die Spannung in der Rolle messen.

Innerhalb der einzelnen Verfahrenskategorien sind wiederum unterschiedliche Messmethoden bekannt, die teils zerstörend auf den Prüfkörper einwirken, d.h. er kann nach der Messung nicht mehr wiederverwendet werden und ist als Ausschuss auszusondern.

Aus der WO 01/79832 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wickelhärte einer Papierrolle mit Hilfe von Ultraschallmessungen bekannt. Die DE 34 26 301 C1 beschreibt eine Messeinrichtung für die Wickelhärte von zu einer Rolle aufgewickeltem Papierband mit einem Zuggerät, mit dem ein zwischen zwei Lagen des aufgewickelten Papierbandes eingeklemmter Streifen aus der Rolle herausziehbar ist und mit einem Kraftmesser, dem die zum Herausziehen des Streifens aufzubringende Zugkraft über den Zugweg messbar ist.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass sie fast ausschließlich manuell gehandhabt werden. Wie beschrieben führen sie entweder zur Zerstörung und Qualitätsbeeinträchtigung der Rollen, oder sie erlauben nur mehr oder weniger indirekte Aussagen über gewissen Rollenbereiche und erfordern eine subjektive Beurteilung. Eine umfassende und gezielte stückbezogene Bestimmung der Wickelhärte und mithin der Qualitätskontrolle einer gewickelten Rolle ist mit den bekannten Verfahren nicht oder nur bedingt möglich.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes, nicht zerstörend wirkendes Verfahren zur Bestimmung der Wickelhärte anzugeben.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahrens der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rolle an einer ihrer Stirnseiten lokal mit einer definierten Wärmemenge erwärmt und die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit erfasst wird, die ein Maß für die lokale Wickelhärte um den Ort des Wärmeeintrags ist.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. das Ausbreitungsverhalten der Temperatur ausgehend von einem definiert erwärmten Punkt in der kreisförmigen Stirnfläche der Rolle in Abhängigkeit der Wickelhärte erfolgt. Mit steigender Wickelhärte ändert sich aufgrund der hierüber beeinflussten Materialeigenschaften der gewickelten Bahn deren Materialeigenschaften und hierüber ihr Wärmeleitungsvermögen. Bei Papier wird beispielsweise mit steigender Wickelhärte das Material verdichtet und die zwischen den Lagen eingebettete Luftmenge nimmt mit steigender Wickelhärte ab. Die lokale Temperaturausbreitungsgeschwindigkeit bzw. das lokale Ausbreitungsverhalten ist damit vom Zustand des Wickels abhängig. Vergleicht man nun beispielsweise die Temperaturausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. das jeweilige Temperaturausbreitungsverhalten um verschiedene Wärmeeintragorte über den Rollenradius unter der Voraussetzung gleicher Anregungs- und Messbedingungen, so ergibt sich ein Maß für den relativen Wickelhärteverlauf über den Radius der Rolle. Eine definierte Aussage über die lokale Wickelhärte kann aber bereits bei nur einem lokalen Wärmeeintrag – und damit einem Messort – erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mithin zerstörungsfrei, infolge der Abhängigkeit der Wärmeleitung des Materials von der Wickelhärte auch sehr genau, so dass insgesamt eine relativ exakte Bestimmung der Wickelhärte möglich ist.

Wie bereits beschrieben ist es zweckmäßig, die jeweils gleiche Wärmemenge an mehreren auf verschiedenen Radien um das Zentrum der Rolle liegenden Orten einzubringen und die lokale Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit bzw. das lokale Wärmeausbreitungsverhalten zu jedem Ort zu erfassen, um so ein Wickelhärteprofil in radialer Richtung zu erstellen. Die mehreren Orte liegen zweckmäßigerweise auf einer radial laufenden Linie und sind äquidistant voneinander beabstandet, so dass ein homogenes Messprofil erstellt werden kann. Die Orte können aber auch unterschiedlich weit voneinander beabstandet sein, abhängig vom erwarteten Wickelhärteverlauf.

Die definierte Wärmemenge, die innerhalb einer definierten Zeit appliziert wird, kann entweder auf einer definierten punktförmigen Fläche, beispielsweise in der Größe von 1 cm² oder weniger oder einer linienförmigen (gerade, gebogen oder eckig) Fläche mit bestimmter Länge und Breite eingebracht werden. Auch Kreisringe oder Ellipsen sind denkbar, hier kann dann das Temperaturverhalten im Zentrum betrachtet werden. Die Flächenform bzw. Linienform kann insoweit beliebig ge wählt werden, es muss lediglich sichergestellt werden, dass es sich um eine relativ kleine und in ihrer Größe definierte Fläche handelt.

Der zeitliche Verlauf der Wärmeeinbringung kann ebenfalls verschiedenartig erfolgen. Wichtig ist generell eine Dynamik, d.h. eine Änderung der Anregung. Denkbar ist ein einmaliger Wärmepuls mit Rechteckform oder ein Puls mit definiert steigenden und fallenden Flanken (Trapez-, Gauß- oder exponentielle Form). Auch ist eine mehrfache Wiederholung des Pulses möglich, also z.B. eine quasi getaktete Rechteckfunktion oder eine Sinusfunktion, so dass sich eine periodische Anregung bzw. Wärmeeinbringung ergibt. Dies ist v.a. bei Verwendung von entsprechend ansteuerbaren Strahlungsquellen möglich, so dass sich (z.B. bei Summierung oder Verwendung verschiedener Sinusfunktionen) quasi jeder zeitliche Verlauf der Anregung beschreiben lässt.

Zur Ermittlung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit wird die Temperatur bzw. Temperaturänderung an einem dem Ort des Wärmeeintrags benachbarten Messort erfasst, d.h. es wird zur Bestimmung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit die Temperatur bzw. Temperaturänderung an einem benachbarten Messort im Laufe der Zeit nach Einbringen der definierten Wärmemenge beobachtet und ausgewertet. Dabei sind die den äquidistanten Wärmeeintragorten benachbarte Messorte ebenfalls zweckmäßigerweise äquidistant voneinander beabstandet und sollten zusammen mit dem benachbarten Wärmeeintragort auf dem gleichen Radius wie dieser um das Rollenzentrum liegen. Es ist jedoch auch denkbar, dass ein Messort auf einem anderen Radius, jedoch noch hinreichend benachbart liegt.

Es ist ebenfalls möglich, mehrere Messorte um einen Wärmeeintragort zu platzieren und die Unterschiede in der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Winkeln zum Radius zu messen.

Wird die Wärmemenge an verschiedenen Orten eingebracht, so ist es zum einen möglich, die Wärmemenge an den verschiedenen Orten und die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit nacheinander einzubringen bzw. zu erfassen, d.h. die einzelnen Wärmeeinträge und zugehörigen Messungen erfolgen sukzessive nacheinander. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Wärmemenge an den verschiedenen Orten und die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit gleichzeitig einzubringen bzw. zu erfassen, d.h. die Wickelhärteerfassung bzw. die Erstellung des Profils erfolgt an jedem Ort zur gleichen Zeit.

Zweckmäßig ist es, wenn die Bestimmung der Wickelhärte auf Basis des Wärmeausbreitungsverhaltens bzw. der Geschwindigkeit unter Berücksichtigung wenigstens eines für die Wärmeleitung im Material relevanten Materialparameters des Bandmaterials erfolgt. Als relevante Materialparameter sind z.B. die Inhaltsstoffe, die Zusammensetzung des Bandmaterials, sein Aufbau, der Feuchtegehalt etc. zu berücksichtigen. Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn die am oder um den Wärmeeintragort, insbesondere den Messort herrschende Ist-Temperatur vor dem Wärmeeintrag erfasst und bei der Bestimmung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit berücksichtigt wird.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit entlang und senkrecht zum Bandmaterial zu erfassen und beide Parameter zur Bestimmung der Wickelhärte zu berücksichtigen.

Um definierte Aussagen zur absoluten Wickelhärte von Rollen unterschiedlichster Materialbeschaffenheit und Materialqualität treffen zu können, ist es zweckmäßig, wenn für die Bestimmung der Wickelhärte für unterschiedliche Bandmaterialien desselben Typs neuronale Netze verwendet werden, die quasi in einem Lernprozess bezüglich der unterschiedlichsten Messgegenstände trainiert werden können.

Nach einer ersten zweckmäßigen Erfindungsausgestaltung wird die Wärmemenge mittels Strahlung eingebracht, wozu z.B. eine Lichtstrahlung, zweckmäßigerweise eine Laserstrahlung, die in ihrer Wärmemenge sehr exakt definiert werden kann, verwendet wird. Auch IR-Strahlung oder Mikrowellen (gegebenenfalls nach vorheriger Anfeuchtung der Stirnseite gegebenenfalls mit einem bestimmten, von der Positionierung der Eintragorte abhängigen Feuchtemuster) können verwendet werden. Alternativ ist es auch denkbar, die Wärmemenge unter Verwendung eines beheizbaren, quasi stempelartigen Elements (z.B. Einzelstempel oder Gitter oder Punktraster), das direkt auf die Stirnseite aufgesetzt wird, einzubringen. Die Temperatur am oder um den Ort des Wärmeeintrags, insbesondere dem Messort, wird zweckmäßigerweise mittels einer Thermokamera, also einer Wärmebildkamera, erfasst. Es besteht die Möglichkeit, mit der Kamera entweder nur den Messort, der um einen bestimmten Abstand vom Ort des Wärmeeintrags beabstandet ist, zu erfassen, oder auch den Ort des Wärmeeintrags mit aufzunehmen. Die Messung selbst sollte zweckmäßigerweise an beiden Stirnseiten der Rolle, wenn möglich simultan, erfolgen, um so nicht nur ein Profil in radialer Richtung, sondern auch in axialer Richtung zumindest bezogen auf die Stirnseiten erstellen zu können.

Durch die gleichzeitige Erfassung einer Reihe von Messorten um einen Wärmeeintragort mit einer Thermokamera wird weiterhin ermöglicht, die Form und die Veränderung der Form der Temperaturverteilung auf der Stirnseite auszuwerten, die bei punktförmigem Wärmeeintrag durch die unterschiedliche Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit entlang und senkrecht zum Bandmaterial eine elliptische Form aufweist.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wickelhärte einer gewickelten Rolle eines Bandmaterials, insbesondere einer Papier-, Kunststofffolien- oder Metallbandbahn, umfassend:

– ein Mittel zum lokalen Zuführen einer definierten Wärmemenge an die Stirnseite der Rolle, und
– ein Mittel zum Erfassen der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit der eingebrachten Wärmemenge als Maß für die lokale Wickelhärte der Rolle.

Die Mittel zur Erfassung bzw. Ermittlung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit und im Endeffekt auch zur Ermittlung der Wickelhärte umfassen wenigstens eine Thermokamera und wenigstens eine die von der Thermokamera gelieferten Daten auswertende Auswerteeinrichtung, die anhand dieser Daten die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit am jeweils untersuchten Messort ermitteln bzw. hieraus gleich die lokale Wickelhärte ermitteln und ausgeben kann.

Die Mittel zum Zuführen der Wärmemenge können wenigstens eine Strahlenquelle umfassen, mittels der die Wärmemenge in Form von Strahlung in die Rolle einbringbar ist, wozu zweckmäßigerweise eine Laserquelle verwendet wird. Der Strahlenquelle kann ein mit ihr kommunizierender Impulsgenerator zum Erzeugen von Steuerimpulsen, in deren Abhängigkeit die Strahlung erzeugt und abgegeben wird, zugeordnet sein, was insbesondere bei Verwendung einer Laserstrahlenquelle zweckmäßig ist.

Alternativ können die Mittel zum Zuführen der Wärmemenge auch wenigstens ein beheizbares Element umfassen, z.B. in Form eines stempelartigen Stabes oder dergleichen, das zum Einbringen der Wärmemenge auf der Stirnseite der Rolle aufzusetzen ist. Dieses Element kann auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt und nach Erreichen dieser Temperatur für eine vorgestimmte Zeit auf die Stirnseite aufgesetzt werden, wodurch sich ein definierter Wärmemengeneintrag realisieren lässt.

Die Strahlenquelle kann erfindungsgemäß einen im Wesentlichen punktförmigen oder im Wesentlichen länglichen Wärmestrahl emittieren, alternativ kann das beheizbare Element im Wesentlichen punktförmig oder länglich oder bogenförmig (dem Rol lenradius entsprechend) ausgebildet sein, wobei natürlich auch andere Strahl- oder Elementgeometrien denkbar sind, solange eine definierte und an jedem Einstrahlort gleiche Fläche, über die der Wärmeeintrag erfolgt, realisiert ist bzw. erhalten bleibt.

Die Auswerteeinrichtung ist derart ausgebildet, dass zur Ermittlung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit die Temperatur bzw. Temperaturänderung an einem dem Ort des Wärmeeintrags benachbarten, von der Thermokamera erfassten Messort ermittelt wird. Die Analysealgorithmen, mittels denen die von der Thermokamera gelieferten Wärmebilddaten analysiert werden, sind entsprechend ausgelegt und abgestimmt, so dass bei unterschiedlichen Messungen stets ein um denselben Abstand vom Wärmeeintragort beabstandeter Messort, der im Kamerabild aufgenommen ist, analysiert wird. Jeder Messort sollte vom zugehörigen Wärmeeintragort gleich weit entfernt sein, wobei ein Wärmeeintragort und sein zugehöriger Messort ferner zweckmäßigerweise auf dem gleichen Radius um das Rollenzentrum liegen sollten, aber nicht müssen.

Zur Erstellung eines radialen Profils sollte die Vorrichtung ferner derart ausgebildet sein, dass die Wärmemenge an mehreren verschiedenen Einbringorten, die auf verschiedenen Radien um das Zentrum der Rolle liegen, einbringbar und zu jedem Einbringort die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit separat erfassbar ist. Hierzu kann entweder die Strahlungsquelle oder das beheizbare Element bezüglich der Rolle bewegbar sein, wobei die Thermokamera ebenfalls gemeinsam mit der Strahlungsquelle oder dem beheizbaren Element bewegbar ist, oder wobei die Thermokamera fest steht und die einzelnen Wärmeeintragsorte gemeinsam erfasst. Im ersten Fall bewegt sich also die gesamte Eintrags- und Aufnahmemimik, im letztgenannten Fall lediglich die Strahlungsquelle oder das beheizbare Element, die Thermokamera steht fest, sie nimmt jedoch sämtliche Wärmeeintragsorte und die Bereiche, in denen die Messorte definiert sind, gemeinsam im Bild auf.

Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, mehrere in fester Lagebeziehung zueinander stehende Strahlenquellen oder beheizbare Elemente, die vorzugsweise auf einer Linie liegend angeordnet sind, und wenigstens eine Thermokamera zu verwenden. D.h. es erfolgt hier keine Bewegung der Mimik, diese Ausgestaltung lässt sowohl einen simultanen Wärmeeintrag zu, wenn eben alle Strahlungsquellen gemeinsam zeitlich betrieben oder alle Elemente gemeinsam aufgesetzt werden, oder einen sukzessiven Betrieb, wenn die Strahlungsquellen und die Elemente sukzessive nacheinander betrieben werden.

Die mehreren Strahlungsquellen oder die mehreren beheizbaren Elemente sollten äquidistant voneinander beabstandet sein, Ziel ist eine äquidistante Einstrahlung, um insgesamt ein Wickelhärteprofil mit äquidistanten Messpunkten und zu diesen entsprechenden Wickelhärtewerten erstellen zu können.

Um die Vorrichtung auf einfache Weise bezüglich einer Rolle, die zu untersuchen ist, positionieren zu können ist es zweckmäßig, wenn zumindest die eine oder die mehreren Strahlungsquellen oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera an einem axial bezüglich der feststehenden Rolle bewegbaren Trägergestell angeordnet sind. D.h. die relevanten Eintrag- und Aufnahmekomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auf einfache Weise zur Rolle hin bzw. weg bewegt, vorzugsweise geschoben werden, so dass eine einfache Positionierung möglich ist. Auf diese Weise kann man sich auch ohne weiteres unterschiedlichen axialen Rollendurchmessern anpassen.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn zumindest die einen oder die mehreren Strahlungsquellen oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera höhen- und/oder seitenbeweglich am Trägergestell angeordnet sind. Dies lässt einen weiteren Freiheitsgrad in der Positionierung zu, d.h. die relevanten Komponenten können parallel zur Stirnseite der Rolle verschoben und entsprechend positioniert werden, so dass auf diese Weise auch eine einfache Anpassung an unterschiedliche Rollengeometrien bzw. Rollendurchmesser möglich ist.

Zweckmäßig ist es ferner, wenn die zumindest eine oder die mehreren Strahlungsquellen oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera gemeinsame um eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Achse schwenkbar am Trägergestell angeordnet sind, so dass das Messfeld in jede Winkellage geschwenkt und eine weitere Positionierungs- und Bewegungsfreiheit realisiert werden kann.

Besonders vorteilhaft sind Mittel zur automatischen Positionierung der Vorrichtung bezüglich der Rolle vorgesehen, wozu zweckmäßigerweise motorische Antriebsmittel und geeignete Positionserfassungsmittel, insbesondere in Form von Lichtschranken, verwendet werden. Auf diese Weise kann eine automatische Positionierung bezüglich einer beliebig in ihrer Geometrie bemessenen Rolle erfolgen, so dass ohne manuelles Zutun die richtige Position zum Beginn der Messung und zur Erstellung des Wickelhärtenprofils eingenommen wird.

Da die Temperatur beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Wickelhärte eine entscheidende Rolle spielt, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, eine hauben- oder manschettenartige Abdeckung zu verwenden, mittels der die gesamte Vorrichtung samt Rolle oder zumindest die eine oder die mehreren Strahlungsquellen oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera und der erwärmte Stirnkantenbereich der Rolle abdeckbar sind. Hierdurch wird ein quasi geschlossener Messraum oder ein geschlossenes Messvolumen realisiert, in dem keine aufgrund äußerer Einflüsse hervorgerufene Temperaturschwankung vorkommen kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nebst Rolle,
2 eine Seitenansicht der Rolle mit Wärmeeinbringort und Messort,
3 eine Prinzipdarstellung einer Vermessung einer Rolle mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
4 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform,
5 eine Seitenansicht der Rolle aus 4 zur Darstellung der Wärmeeintrag- und Messorte,
6 eine Seitenansicht einer Rolle zur Darstellung einer weiteren möglichen Geometrie der Wärmeeinbringfläche,
7 – 9 drei Prinzipdarstellungen zweier erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit Bewegungsmöglichkeiten in verschiedene Richtungen,
10 und 11 zwei Prinzipskizzen der Vorrichtungen aus den 7 – 9 mit einer zusätzlichen haubenartigen Abdeckung, und
12, 13 zwei Darstellungen der Vorrichtungen aus den 7 – 9 mit einer andersartig geformten Abdeckung.
1 zeigt in Form einer Prinzipskizze die relevanten Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 einer ersten Ausfüh rungsform zur Bestimmung der Wickelhärte einer Rolle 2 eines bandförmigen Materials, beispielsweise eine Papierrolle. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Mittel 3 zum lokalen Zuführen einer definierten Wärmemenge an die Stirnseite 4 der Rolle 2, sowie ein Mittel 5 zur Erfassung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit der eingebrachten Wärmemenge als Maß für die lokale Wickelhärte der Rolle 2.
Die Mittel 3 zum Zuführen der Wärmemenge umfassen zum einen im gezeigten Beispiel eine Strahlungsquelle 6 in Form einer Laserstrahlenquelle, der ein Impulsgenerator 7 zugeordnet ist. Über den Impulsgenerator wird die Erzeugung und Emission der auf die Stirnseite 4 der Rolle 2 gerichteten Strahlung 8 gesteuert. Der Strahl ist scharf gebündelt und erwärmt die Stirnseite 4 der Rolle 2 in einem größenmäßig definierten Brennfleck 9.
Die Mittel zur Erfassung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit bzw. des Ausbreitungsverhaltens umfassen im gezeigten Beispiel eine Thermokamera 10, mit der ein Wärmebild eines Flächenabschnitts der Stirnseite 4 der Rolle 2 aufgenommen wird, in dem der Wärmeeintragsort, also der Brennfleck 9, sowie ein von diesem beabstandeter Messort 11 liegt, mithin also im aufgenommenen Wärmebild sichtbar ist. Der Thermokamera 10 zugeordnet ist eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 12, die zum einen den Betrieb des Impulsgenerators 7 und damit auch der Strahlungsquelle 6 sowie dem Betrieb der Thermokamera 10 steuert, als auch die Auswertung der von der Thermokamera 10 gelieferten Daten dort erfolgt, anhand welchen die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit durch Ermittlung der Temperaturänderung über die Zeit im Messort erfasst und hieraus die Wickelhärte in diesem Bereich bestimmt wird.
Bezogen auf die Messung an einem Ort wird folgendermaßen vorgegangen:
Mittels eines Impulses des scharf gebündelten Strahls 8 der elektromagnetischen Laserstrahlung wird einer definierten Fläche, nämlich dem Brennfleck 9, eine definierte Wärmemenge zugeführt. Die Impulsdauer, die Energiedichte und damit die Temperaturerhöhung des bestrahlten Flächenelements, also des Brennflecks, sind somit eindeutig bestimmt. Insbesondere infolge der Wärmeleitung kommt es aufgrund des Wärmeeintrags zu Temperaturausgleichsprozessen. Ein benachbart liegender Messort 11 wird dabei zunächst eine Temperaturerhöhung, gefolgt von einer Abkühlung erfahren. Die Temperaturänderung im Material wird durch die Wärmeleitungsgleichung wie folgt beschrieben:
mit

T: Temperatur
t: Zeit
x,y,z: Koordinaten im Material
c: spezifische Wärme
ρ: Dichte
λ: Wärmeleitzahl

Bei einer lokalen Temperaturerhöhung geht von dieser Stelle eine Wärmewelle aus, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit von den thermischen Materialdaten abhängt. Mit steigender Wickelhärte ändert sich aufgrund der inhomogenen Materialeigenschaften des hier exemplarisch beschriebenen Papiers alle drei Materialgrößen besonders in radialer Richtung, also senkrecht zur Papierbahn, und damit der als Temperaturleitzahl bezeichnete Quotient aus λ und (cρ). Das Papier wird mit steigender Wickelhärte verdichtet und die Wärmeleitung zwischen den Lagen nimmt mit steigender Wickelhärte zu. Die Temperaturausgleichsgeschwindigkeit ist damit vom Zustand des Wickels abhängig.
Die Messpunkte liegen zweckmäßigerweise äquidistant verteilt auf einer gemeinsamen Geraden, die im Wesentlichen vom Rollenzentrum ausgeht. Entsprechendes gilt für die zugeordneten Messorte, wobei jeder Messort gleich weit vom zugehörigen Wärmeeintragort beabstandet liegt, und wobei alle Messorte ebenfalls gleichermaßen äquidistant voneinander beabstandet sind. Vergleicht man nun die Temperaturausgleichsgeschwindigkeiten verschiedener Messorte über den Rollenradius unter der Voraussetzung gleicher Anregungs- und Messbedingungen, so ergibt sich ein Maß für den relativen Wickelhärteverlauf über den Radius der Rolle.
Die Temperatur und der zeitliche Verlauf werden mittels der Thermokamera 10 registriert und rechnerisch in der Weise verarbeitet, dass man nach gleichen definierten Zeiten die Brenntemperaturen an den geometrisch zu den Wärmeeintragorten, also den Brennfleck 9 angemessenen Messorten 11 vergleicht. Dies erfolgt unter Verwendung geeigneter Analysealgorithmen seitens der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 12, die die von der Thermokamera gelieferten Bilddaten in den jeweiligen Messorten analysiert. Die Kerntemperatur der Brennflecke 9 und die Ausgangstemperatur der Rollenoberfläche an den Messorten 11 werden als Korrekturglieder in die Auswertung einbezogen, da bei frisch gewickelten Rollen Temperaturunterschiede von innen nach außen herrschen und deshalb der Verlauf der Temperaturdifferenz entscheidend ist. Die absoluten Materialwerte sind zusätzlich abhängig von den Inhaltsstoffen, der Zusammensetzung und dem Aufbau des Papiers, wobei entsprechende Parameter ebenfalls in die Auswertung mit eingehen können.
3 zeigt zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen 1, die an beiden Seiten der Rolle 2 angeordnet sind, so dass Wickelhärtenprofile an beiden Stirnkanten 4 der Rolle 2 erstellt werden können.
Unter Verwendung der in den 1 – 3 beschriebenen Vorrichtung, bei der mittels der Strahlungsquelle 6 ein einziger Strahl erzeugt wird, mithin also nur ein Ort an der Stirnkante bearbeitet werden kann, ist es erforderlich, die Stirnkante 4 der Rolle 2 in radialer Richtung schrittweise in kleinen Schritten abzuscannen, um so das Profil der relativen Wickelhärte aufzunehmen. Eine weitere vorteilhafte Erfindungsausgestaltung zeigt demgegenüber 4. Dort ist eine Vorrichtung 1' gezeigt, bei der simultan mehrere separate Strahlen 8' erzeugt werden können, so dass die Stirnseite 4 simultan in mehreren auf einer gemeinsamen Gerade liegenden Brennflecken 9 simultan erwärmt werden kann. Hierzu kann eine Strahlungserzeugungseinrichtung verwendet werden, die aus mehreren separaten Strahlungsquellen 6' besteht (z.B. einem Lasermodul aus mehreren Einzellasern). Auch ist es denkbar, die separaten Strahlen 8' durch optische Aufteilung nur eines oder mehrerer Strahlen zu erzeugen. Hierbei können die Brennflecke sowohl auf einem Radiusstrahl in einer Linie als auch in einem anderen zweckmäßig erscheinenden Muster z.B. gemäß 5 angeordnet werden. Dort sind die Brennflecke 9 in versetzter Anordnung in zwei Reihen vorgesehen. Der Energieimpuls wird bei Betätigung des Impulsgenerators 7 auf alle Brennflecke 9 gleichzeitig oder in definierter zeitlicher Abfolge und in definierter Intensität gerichtet. Die Thermokamera 10 überwacht hier das gesamte Temperaturfeld gleichzeitig. Die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 12 wertet den Temperaturverlauf auf allen analog zu den Brennflecken 9 gleich angeordneten Messorten aus. Hier ist also kein schrittweises Abscannen erforderlich, vielmehr erfolgt die Messung an allen radialen Positionen simultan. Selbstverständlich besteht auch hier die Möglichkeit, an beiden Stirnseiten der Rolle gleichzeitig zu messen.
6 zeigt zwei alternative Formen eines Brennflecks 9'. Dieser ist hier nicht punktförmig sondern linienförmig ausgebildet. Im oberen Figurenteil ist ein geradliniger Brennfleck 9' gezeigt, der in seiner Stellung beliebig positioniert wer den kann. Im unteren Figurenteil ist ein gebogener Brennfleck 9' gezeigt, der vorzugsweise entsprechend der Kreisbogenform am jeweiligen Radius geformt ist. Ein solcher Brennfleck kann problemlos durch eine geeignete Optik an der Strahlungsquelle 6 bzw. 6' erzeugt werden. Die Thermokamera 10 überwacht hier ein etwas größeres Temperaturfeld 13, da die Fläche des Brennflecks 9' deutlich größer ist. Da sich in diesem Fall die Wärme im Wesentlichen zweidimensional statt dreidimensional wie im Fall der punktförmigen Anregung ausbreitet, wird bei gleichem Temperaturhub an der Stelle der Anregung, also im Brennfleck 9', eine stärkere Temperaturerhöhung in einem bestimmten Abstand von der Anregung verzeichnet, was die bessere Messung der Temperaturerhöhung ermöglicht. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, simultan mehrere derartig geformte Brennflecke 9' zu erzeugen und zu vermessen. Auch anders geformte linienförmige Brennflecke sind denkbar.
Die 7 bis 9 zeigen die Möglichkeit, die für den Wärmeeintrag und die Messung relevanten Komponenten bezüglich einer Papierrolle 2 positionieren zu können. In einem geeigneten Messvorrichtungsgehäuse 14 sind die für den Wärmeeintrag und die Wärmebildaufnahme erforderlichen relevanten Komponenten beinhaltet, also zumindest die eine oder die mehreren Strahlungsquellen 6, 6' sowie die Thermokamera 10. Das Messgerätegehäuse 14 ist, wie durch die Doppelpfeile A, B gezeigt ist, vertikal und horizontal beweglich an einem Trägergestell 15 angeordnet, das einen im Wesentlichen portalähnlichen Aufbau besitzt. Das Trägergestell 15 ist seinerseits, wie durch die Doppelpfeile C angedeutet ist, axial bezüglich der Papierrolle 2 bewegbar. Die vertikale Bewegbarkeit ist über einen an zwei Vertikalträgern 16 des Trägergestells 15 vertikal bewegbaren Querträger 17 realisiert, an dem das Messgerätegehäuse 14 horizontal beweglich angeordnet ist. Wie 9 zeigt kann das Messgerätegehäuse 14 auch um eine Horizontalachse bezüglich des Querträgers 17 gedreht werden, wie durch den Doppelpfeil D angedeutet ist.
Die gesamten Bewegungen können über geeignete, nicht näher gezeigte motorische Antriebsmittel gesteuert werden, was wiederum über die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 12 gesteuert erfolgt kann. Ferner sind geeignete Positionserfassungsmittel 18, z.B. in Form von Lichtschranken, vorgesehen, die ein automatisches exaktes Positionieren der Messvorrichtung bezüglich der Rolle 2 ermöglichen. Auf diese Weise ist es möglich, sich selbständig den veränderlichen Durchmessern und Breiten der Rollen 2 anzupassen. Darüber hinaus können noch weitere Positionierungshilfen am Trägergestell 15 vorhanden sein, z.B. um die Kanten der Rolle um den Abstand dazu zu erfassen etc. Die beiden Trägergestelle 15, die jeweils eine Messeinrichtung tragen, werden in den regulären Produktionsprozess eingegliedert und unmittelbar an einer Transportvorrichtung 19, auf der die Rollen transportiert werden, aufgestellt.
Die 10 und 11 zeigen die Konfiguration aus den 7 – 9, jedoch ist hier eine zusätzliche Abdeckung 20 vorgesehen, die haubenartig die gesamte Konfiguration samt Rolle übergreift und so den Messplatz aus Gründen des Arbeitsschutzes und zum Schutz der Temperaturausgleichsvorgänge vor äußeren Einflüssen abschirmt. Die Abdeckung 20 besteht im gezeigten Beispiel aus zwei Hälften 21, die wie durch die Doppelpfeile E angedeutet bezüglich einander verschoben werden können.
Schließlich zeigen die 12 und 13 eine weitere Abdeckungsvariante 20'. Diese ist manschettenartig ausgeführt und deckt das Messvorrichtungsgehäuse sowie den gesamt relevanten Messraum bis hin zur Stirnseite 4 der Rolle 2 ab. Auch hierdurch wird ein hinreichender Schutz erwirkt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Wickelhärte einer gewickelten Rolle eines Bandmaterials, insbesondere einer Papierbahn oder einer Kunststofffolienbahn, bei welchem Verfahren die Rolle an einer ihrer Stirnseiten lokal mit einer definierten Wärmemenge erwärmt und die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit erfasst wird, die ein Maß für die lokale Wickelhärte um den Ort des Wärmeeintrags ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die definierte Wärmemenge innerhalb einer definierten Zeit eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die jeweils gleiche Wärmemenge an mehreren auf verschiedenen Radien liegenden Orten eingebracht und die lokale Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit zu jedem Ort erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die mehreren Orte im Wesentlichen auf einer oder mehreren radial laufenden Linie liegen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die mehreren Orte äquidistant voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wärmemenge auf einer definierten punktförmigen oder linienförmigen Fläche eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zur Ermittlung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit die Temperatur bzw. Temperaturänderung an einem dem Ort des Wärmeeintrags benachbarten Messort erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die den mehreren äquidistanten Wärmeeintragorten benachbarten Messorte äquidistant voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Wärmeeintragort und der benachbarte Messort auf gleichem Radiusstrahl vom Rollenzentrum ausgehend liegen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wärmemenge an den verschiedenen Orten und die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit nacheinander eingebracht bzw. erfasst wird, oder bei dem die Wärmemenge an den verschiedenen Orten und die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit gleichzeitig eingebracht bzw. erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bestimmung der Wickelhärte auf Basis der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung wenigstens eines für die Wärmeleitung im Material relevanten Materialparameters des Bandmaterials erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die am oder um den Wärmeeintragort, insbesondere den Messort herrschende Ist-Temperatur vor dem Wärmeeintrag erfasst und bei der Bestimmung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Bestimmung der Wickelhärte für unterschiedliche Bandmaterialien des selben Typs unter Verwendung neuronaler Netze erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wärmemenge mittels Strahlung eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem Laserstrahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur am oder um den Ort des Wärmeeintrags, insbesondere dem Messort mittels einer Thermokamera erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Messung an beiden Stirnseiten der Rolle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wickelhärte auf Basis der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit entlang und senkrecht zum Bandmaterial bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Form der Temperaturverteilung auf der Stirnseite zur Bestimmung der Wickelhärte verwendet wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Wickelhärte einer gewickelten Rolle eines Bandmaterials, insbesondere einer Papierbahn oder einer Kunststofffolienbahn, umfassend: – ein Mittel (3) zum lokalen Zuführen einer definierten Wärmemenge an die Stirnseite (4) der Rolle (2), und – ein Mittel (5) zum Erfassen der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit der eingebrachten Wärmemenge als Maß für die lokale Wickelhärte der Rolle (2).
Verfahren nach Anspruch 20, bei der die Mittel (3) zum Zuführen der definierten Wärmemenge innerhalb einer definierten Zeit ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, bei der die Mittel (5) zur Erfassung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit wenigstens eine Thermokamera (10) und wenigstens eine die von der Thermokamera (10) gelieferten Daten auswertende Auswerteeinrichtung (12) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der die Mittel (3) zum Zuführen der Wärmemenge wenigstens eine Strahlenquelle (6, 6') umfassen, mittels der die Wärmemenge in Form von Strahlung in die Rolle (2) einbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Strahlenquelle (6, 6') eine Laserstrahlenquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, bei der ein mit der Strahlenquelle (6, 6') kommunizierender Impulsgenerator (7) zum Erzeugen von Steuerimpulsen, in deren Abhängigkeit die Strahlung erzeugt und abgegeben wird, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der die Mittel zum Zuführen der Wärmemenge wenigstens ein beheizbares Element umfassen, das zum Einbringen der Wärmemenge auf der Stirnseite der Rolle aufzusetzen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei der die Strahlenquelle (6, 6') einen im Wesentlichen punktförmigen oder im Wesentlichen länglichen Wärmestrahl emittiert oder das beheizbare Element im Wesentlichen punktförmig oder länglich ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, bei der eine den Betrieb der Mittel (3) zum Einbringen der Wärmemenge und der Mittel (5) zum Erfassen der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit steuernde Steuerungseinrichtung (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, bei der zur Ermittlung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit die Temperatur bzw. Temperaturänderung an einem dem Ort (9) des Wärmeeintrags benachbarten, von der Thermokamera (10) erfassten Messort (11) ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der jeder Messort (11) vom zugehörigen Wärmeeintragort (9) gleichweit entfernt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, bei der ein Wärmeeintragort (9) und sein zugehöriger Messort (11) im Wesentlichen auf gleichem Radiusstrahl vom Zentrum der Rolle (2) ausgehend liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 31, bei der die Wärmemenge an mehreren verschiedenen Einbringorten (9), die auf verschiedenen Radien um das Zentrum der Rolle (2) liegen, einbringbar und zu jedem Einbringort die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit separat erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 32, bei der die Strahlungsquelle (6, 6') oder das beheizbare Element bezüglich der Rolle von einem Wärmeeintragort (9) zum nächsten bewegbar sind, wobei die Thermokamera (10) ebenfalls gemeinsam mit der Strahlungsquelle oder dem beheizbaren Element bewegbar ist, oder wobei die Thermokamera (10) feststeht und die einzelnen Wärmeeintragorte (9) gemeinsam erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 32, bei der mehrere in fester Lagebeziehung zueinander stehende Strahlenquellen (6') oder beheizbare Elemente, die vorzugsweise auf einer Linie liegend angeordnet sind, und wenigstens eine Thermokamera (10) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der die mehreren Strahlungsquellen (6') oder die mehreren beheizbaren Elemente äquidistant voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 35, bei der zumindest die eine oder die mehreren Strahlenquellen (6, 6') oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera (10) an einem axial bezüglich der feststehenden Rolle (2) bewegbaren Trägergestell (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der zumindest die eine oder die mehreren Strahlenquellen (6, 6') oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera (10) höhen- und/oder seitenbeweglich am Trägergestell (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, bei der die zumindest die eine oder die mehreren Strahlenquellen (6, 6') oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera (10) gemeinsam um eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Achse schwenkbar am Trägergestell (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 38, bei der Mittel zur automatischen Positionierung bezüglich der Rolle (2) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 39, bei der die Positionierungsmittel motorische Antriebsmittel und Positionserfassungsmittel (18), insbesondere in Form von Lichtschranken umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 40, bei der eine hauben- oder manschettenartige Abdeckung (20, 20') vorgesehen ist, mittels der die gesamte Vorrichtung samt Rolle (2) oder zumindest die zumindest die eine oder die mehreren Strahlenquellen oder das oder die beheizbaren Elemente und die wenigstens eine Thermokamera und der erwärmte Stirnkantenbereich der Rolle abdeckbar sind.