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BEREICH
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Messgerät zur Messung des Wassergehalts einer Bahn im Siebteil einer Papiermaschine.
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HINTERGRUND
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Eine genaue Messung des Wassergehalts einer Papierbahn ermöglicht eine genaue Einstellung der Papiermaschine und die Herstellung von hochwertigem Papier. Falls die Einstellung scheitert, werden die Eigenschaften der Papierbahn ungleich und ihre Qualität schlecht. Insbesondere im Siebteil kann die Menge abgelassenen Wassers als Funktion der Maschinenrichtung (MD) gemessen werden.
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Gemäß der Anmelderin intern bekanntem Stand der Technik wird ein Wassergehalt oft durch Gammastrahlung gemessen. Bei dieser Messung emittiert die Strahlungsquelle Gammastrahlung der Bahn, von der sie zurück an einen Detektor streut oder durch die Bahn einem Detektor weitergeht. Die Siebdichte, die Dichte von in Papierherstellung zu verwendenden Fasern und Füllmitteln und ähnlichen und die Wasserdichte wirken auf das Messergebnis ein. Da sich die Wassermenge verringert, wenn sich die Bahn im Siebteil bewegt, wird die Wirkung der Wasserdichte auf das Messergebnis dementsprechend kleiner. Somit zeigt eine Änderung im Messergebnis eine Änderung in der Wassermenge, d. h. Entwässerung im Siebteil in Maschinenrichtung.
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Jedoch ist diese Lösung mit Problemen verbunden. Gammastrahlung ist ionisierende Strahlung, die schädlich für Menschen in der Nähe des Messgeräts ist. Zudem ist das Wirkungsgebiet der Strahlung so umfangreich, dass die Anwendung von Gammastrahlung in engen Räumen nicht vernünftig ist. Auch ist die Verlegung einer Gammaquelle von einem Platz oder Land zu einem anderen wegen Sicherheitsvorschriften schwierig, da eine Gammaquelle nicht ausgeschaltet werden kann.
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Wie ebenso intern bekannt, ist auch die Ultraschalltechnik bei Messung von Wassermengen und Entwässerung benutzt worden. Jedoch ist die Ultraschallmessung nicht sehr genau, insbesondere wenn der Wassergehalt niedrig ist, und auch die Luft in der Bahn beeinträchtigt die Messung erheblich.
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Die
US 3829764 offenbart ein Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften von Materialien, wie etwa der dielektrischen Konstante, Feuchtigkeitsgehalt oder Gehalt an Flüssigkeiten oder Feststoffen, Dicke, Dichte etc. mit oder ohne Kontakt zwischen dem Material und der Vorrichtung. Dabei wird ein Radiofrequenzfeld mit einer Ausdehnung in der Größenordnung von 3 Zoll (7,62 cm) oder mehr verwendet.
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KURZE BESCHREIBUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und ein das Verfahren ausführendes Messgerät bereitzustellen. Dies wird durch ein Verfahren zur Messung des Wassergehalts einer Bahn im Siebteil einer Papiermaschine erreicht. Das Verfahren umfasst Bildung eines elektrischen Nahfelds durch zumindest einen auf Radiofrequenz arbeitenden Resonatorsensor, in dem eine Bahn auf die Resonanzfrequenz jedes Resonatorsensors wirkt, und Messung des Wassergehalts der Bahn als Funktion der Resonanzfrequenz jedes Resonatorsensors. Dabei wird ein Resonatorsensor verwendet, dessen Struktur ein elektrisches Fernfeld beschränkt, das sich als Strahlung fortpflanzt und außerhalb des Resonatorsensors ausdehnt.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Messgerät zur Messung des Wassergehalts einer Bahn im Siebteil einer Papiermaschine. Das Messgerät weist zumindest einen elektrisch betriebenen Hochfrequenz-Resonatorsensor und eine Messeinheit auf und während der Messung ist jeder von den Resonatorsensoren angeordnet, ein elektrisches Nahfeld zu bilden, in dem während der Messung das zu messende Objekt auf die Resonanzfrequenz jedes Resonatorsensors wirkt, und die Messeinheit ist angeordnet, den Wassergehalt des zu messenden Objekts als Funktion der Resonanzfrequenz zumindest eines Resonatorsensors zu messen. Dabei ist jeder von den Resonatorsensoren angeordnet, ein elektrisches Fernfeld zu beschränken, das sich als Strahlung fortpflanzt und außerhalb des Resonatorsensors ausdehnt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Die Verfahren und das Messgerät der Erfindung weisen viele Vorteile auf. Das Messgerät ist akkurat und hat keine Sicherheitsprobleme. Es ist auch einfach, die Strahlung des Messgeräts zu regulieren.
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FIGURENLISTE
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
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1A eine Draufsicht auf einen Schlitzresonatorsensor,
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1B eine Seitenansicht eines Schlitzresonatorsensors,
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2A eine Seitenansicht eines auf einem runden Hohlleiter basierenden Resonatorsensors,
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2B eine Draufsicht auf einen auf einem runden Hohlleiter basierenden Resonatorsensor,
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2C eine Draufsicht auf einen auf einem eckigen Hohlleiter basierenden Resonatorsensor,
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3A eine Seitenansicht eines Koaxialresonators,
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3B eine Draufsicht auf einen Koaxialresonator,
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4 den Betrieb eines Resonatorsensors,
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5 die Messung von Resonanzfrequenzen mit und ohne Wasser,
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6 die Positionierung einer Reihe von Resonatorsensoren unter ein Sieb,
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7 Messung der Wassermenge einer Bahn in Querrichtung,
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8 eine Messanordnung auf einer Papiermaschine, und
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9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Messung der Wassermenge.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wenn ein hochfrequentes, elektrisches Feld darstellende Gleichungen für einen Dipol oder Strahler gebildet werden, wird bemerkt, dass der Wert der Feldformel in der Nähe durch die hohen Potenzen der Entfernung und weit entfernt durch die niedrigen Potenzen der Entfernung bestimmt wird. Dies kann mit einer beispielhaften Gleichung veranschaulicht werden, die im Allgemeinen das elektrische Feld E des Strahlers als Funktion der Entfernung darstellt:
worin i ein Index, M die höchste erforderliche Potenz, A
i ein erforderlicher Koeffizient und k eine Wellenzahl ist, k = 2π/λ, worin λ die Wellenlänge der Srahlung und π eine Konstante π ≈ 3,1415926 und R die Entfernung vom Strahler ist. Wenn die Entfernung R gering ist und es sich also um ein Nahfeld (kR < 1) handelt, wird die Summenklausel vom Terminus (kR)
–M bestimmt und der Wert der Potenz M ist dann oft 2 oder 3. Wenn die Entfernung R groß ist und es sich um ein Fernfeld (kR > 1) handelt, wird die Summenklausel vom Terminus (kR)
–1 bestimmt. Somit ähnelt sich ein elektrisches Nahfeld dem Feld eines statischen Dipols. Die Grenze B zwischen einem Nahfeld und einem Fernfeld kann auch noch genauer als oben anhand einer Dimension D (z. B. des Durchmessers einer Antenne) einer Strahlerapertur und der Wellenlänge λ folgendermaßen bestimmt werden:
B = (2D2)/λ. (2) In solchem Falle befindet sich ein elektrisches Feld, dessen Entfernung vom Strahler dieselbe oder geringer als B ist, im Nahfeld. Dementsprechend befindet sich ein elektrisches Feld, dessen Entfernung größer als B ist, im Fernfeld.
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Eine Aufgabe der vorgelegten Lösung ist, dass der Strahler beziehungsweise der als Sensor fungierende Resonator nicht, zumindest nicht sehr viel, im Fernfeld strahlen würde und dass das elektrische Feld in vollem Umfang oder größtenteils ausserhalb der Resonatorstruktur ein Nahfeld ist. Das Fernfeld kann durch die Struktur des Resonatorsensors beschränkt werden. Auf diese Weise stört der Resonatorsensor keine anderen Geräte oder Resonatorsensoren.
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Unter Bezugnahme auf 1A und 1B wird jetzt die Struktur eines Resonatorsensors untersucht. 1A ist eine Draufsicht auf einen Resonatorsensor und 1B zeigt einen Resonatorsensor von der Seite. Der Resonatorsensor 100 kann einen strahlenden Schlitz 102 in einer Metallscheibe 104 aufweisen, die beispielsweise die Metallbeschichtung einer Leiterplatte sein kann. Der bogenförmige Schlitz 102 kann (fast) einen Kreis ausbilden, wobei sich das von ihm auf ein Fernfeld gestrahlte elektrische Feld (fast) vollständig aufhebt. Die Mittellinie des Schlitzes 102 kann auch eine Kurve ausbilden, die stückweise linear ist. Die Mittellinie des Schlitzes 102 kann auch eine Kurve ausbilden, die sich kontinuierlich wölbt, beispielsweise mit einer nichtlinearen Funktion mit einer kontinuierlichen Ableitung. Die Mittellinie des Schlitzes repräsentiert auch eine bogenförmige nicht-selbstschneidende Kurve. Die Summe der in der Figur mit Pfeilen veranschaulichten Vektoren des elektrischen Felds ist somit (fast) Null. In 1A und 1B hat nur der nach oben führende Vektor des elektrischen Felds keinen Gegenvektor und deshalb strahlt der Resonatorsensor ein wenig. Auf der Metallscheibe 104 kann sich eine elektrisch isolierte Schicht 106 befinden, die aus Glas sein kann. Ein Eingabe- und Empfangsport 108, 110 für Radiofrequenzsignale kann wie erwünscht platziert sein. Die zu messende Wasserschicht 112 befindet sich auf dem Sensor 100 während der Messung. Die Feldlinien des elektrischen Nahfelds können derart gezeichnet werden, dass sie vom Resonatorsensor anfangen und sich gegen die Ränder des Schlitzes wölben. Die Feldlinien verlaufen durch die Wasserschicht 112.
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2A und 2B zeigen einen unterschiedlichen Resonatorsensor 100 mit einem Hohlleiter, der rund oder eckig sein kann. Der Aussenmantel 200 des Resonatorsensors, der einen Kurzschluss im unteren Teil produziert, kann aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material bestehen und innerhalb des Aussenmantels kann sich ein elektrisch isolierendes Material 202 wie Kunststoff oder Keramik befinden. Die zu messende Wasserschicht 112 befindet sich auf dem Sensor 100 während der Messung. Die Feldlinien des elektrischen Nahfelds kann dann derart gezeichnet werden, dass sie von der Mitte des Resonatorsensors anfangen und sich gegen den Aussenmantel 200 wölben. Ein Resonatorsensor 100 dieses Typs bildet nie ein Fernfeld und emittiert somit keine elektromagnetische Strahlung. Ein Resonatorsensor mit einem runden Querschnitt kann auf einer nicht-strahlenden Wellenform TM01 fungieren und ein Resonatorsensor mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt kann auf einer nicht-strahlenden Wellenform TM11 fungieren. Der Boden 204 des Resonatorsensors 100 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt werden, das dasselbe Material sein kann wie der übrige Aussenmantel 200.
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2B ist eine Draufsicht auf die Feldlinien eines elektrischen Nahfelds. Der Eingabe- und Empfangsport 108, 110 für Radiofrequenzsignale kann sich in der Mitte und am Rand des Resonatorsensors befinden, wie in 2A und 2B gezeigt wird.
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2C zeigt einen rechteckigen Resonatorsensor 210 und einen quadratischen Resonatorsensor 212. Wie die Figur zeigt, gibt es für jeden das elektrische Feld darstellenden Feldvektor einen Gegenvektor, weshalb es kein Fernfeld gibt.
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3A und 3B zeigen noch einen möglichen Resonatorsensor 100, der ein Koaxialresonator ist. In dieser Lösung findet sich Metall oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material 300 in der Mitte des Resonatorsensors. Um den elektrisch leitfähigen Mittelteil 300 herum gibt es Isoliermaterial 302, zum Beispiel Kunststoff oder Keramik. Der äussere Rand 304 des Koaxialresonators seinerseits besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material auf dieselbe Weise wie der Mittelteil 300. Der untere Teil des Koaxialresonators ist mit einem elektrisch leitfähigen Material 306 kurzgeschlossen, das aus demselben Material wie der Mittelteil 300 und der äussere Rand 304 sein kann. Auch in dieser Lösung können die Feldlinien des elektrischen Felds derart gezeichnet werden, dass sie von der Mitte des Resonatorsensors anfangen und sich gegen die Ränder wölben. Ein Resonatorsensor 100 dieses Typs bildet kein Fernfeld aus und emittiert somit keine elektromagnetische Strahlung.
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3B ist eine Draufsicht auf die Feldlinien eines elektrischen Nahfelds.
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4 zeigt den Betrieb eines Resonatorsensors 100. In diesem Beispiel ist die zu messende Wasserschicht sowohl im Sieb 400 als auch in der Bahn 402 enthalten. Das vom Resonatorsensor ausgehende elektrische Nahfeld dehnt sich durch sowohl das Sieb 400 als auch die Bahn 402 auf der eingesetzten Wellenlänge aus, da die Messung im Nahfeld durchgeführt wird, in dem die Entfernung zwischen dem Resonatorsensor 100 und der Bahn 402 geringer ist als die Wellenlänge der Resonanzfrequenz. Somit wirkt das elektrische Nahfeld mit dem Sieb 400, der Bahn 402 und dem von ihnen enthaltenen Wasser zusammen, und deshalb ist die Resonanzfrequenz des Resonatorsensors 100 von dem Sieb 400, der Bahn 402 und der Wassermenge abhängig, aus denen nur die Wassermenge variiert. Der Resonatorsensor sucht die Resonanzfrequenz nicht durch Zeitablenkung, sondern der Resonatorsensor findet die Resonanzfrequenz automatisch und ist darauf wegen seiner Eigenschaften blockiert, die u. a. von dem Sieb, der Bahn und der Wassermenge beeinflusst werden. Es kann also gedacht werden, dass der Resonatorsensor auf einem selbstoszillierenden Oszillator basiert, der auf einer Resonanz blockiert wird.
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5 zeigt zwei verschiedene Messungen der Resonanzfrequenz als Funktion der Wassermenge. Die Vertikalachse repräsentiert die Dämpfung des Resonanzsensors auf einer Dezibelskala und die Horizontachse repräsentiert die Radiofrequenz von 300 bis 600 MHz. Die Kurve 500 zeigt eine Situation, wo die auf dem Resonatorsensor liegende Schicht 5 mm (oder entsprechend) dick ist, und die Kurve 502 zeigt eine Situation, wo es kein Wasser gibt. Die Höchstwerte der Kurven beziehen sich auf Resonanzfrequenzen, die für Wasser ungefähr 440 MHz und ohne Wasser 490 MHz in dieser Figur sind.
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6 zeigt eine Lösung, bei der eine Reihe von Resonatorsensoren unter die Bahn in Querrichtung (CD) positioniert wird. Die Resonanzfrequenz der Resonatorsensoren 600 bis 618 in der Reihe hängt von der Wassermenge ab, die auf dem Sieb 400 und der Bahn 402 liegt und darin abgebunden ist. Verstärker 620 bis 638 führen die für die Resonanz benötigte elektrische Leistung den Resonatorsensoren zu und verstärken die Resonanzfrequenzsignale, die Verteilern 640 bis 658 beispielsweise von (nicht in der Figur dargestellten) Richtungskopplern übertragen werden können. Jede Kombination von Verstärker und Resonatorsensor bildet einen Oszillator aus, der auf einer bestimmten, von der Wassermenge abhängigen Frequenz oszilliert. Die Verteiler 640 bis 658 teilen die Signalfrequenzen in kleinere Teile. Die Verteiler 640 bis 658 können derart fungieren, dass, wenn die Frequenz durch N geteilt wird, das eine reelle Zahl größer als eins ist, jeder Verteiler einen Impuls N Male seltener in Bezug auf die Resonanzfrequenz fr überträgt. N ist oft eine Ganzzahl. Ein Zähler 660 kann die Anzahl von Impulsen zählen, die innerhalb einer vorbestimmten Zeit Δt am Zähler 660 empfangen werden. Die Frequenz fp der Impulse ist dann fr/N, worin fr die Resonanzfrequenz ist. Die Anzahl von Impulsen PM in einem Resonatorsensor innerhalb einer vorbestimmten Zeit Δt ist PM = Δt·fp. Die vorbestimmte Zeit Δt kann an die Frequenzteilung, d. h. N, angepasst werden, um eine passende Anzahl von Impulsen am Zähler innerhalb der vorbestimmten Zeit zu empfangen. Wenn die Resonanzfrequenz fr durch eine solche Zahl N geteilt wird, dass die Impulse auf einer Frequenz fp von Dutzenden oder Hunderten von Kilohertz eintreffen, kann die vorbestimmte Zeit Δt des Zählers beispielsweise Millisekunden oder Dutzende von Millisekunden betragen. Die Resonanzfrequenz des Resonatorsensors kann zum Beispiel 100 MHz bis 100 GHz betragen. N kann dann 10000 bis 10000000 betragen. Nachdem der Zähler 660 die Anzahl von Impulsen gebildet hat, wird die Information einer Messeinheit 662 übertragen, die zum Beispiel eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung ist. Die Messeinheit 662 kann den Wassergehalt bestimmen, weil die Anzahl von Impulsen PM proportional zur Resonanzfrequenz ist, die ihrerseits proportional zur Wassermenge ist. Alle Resonanzsensoren in der Reihe können die Messung gleichzeitig vornehmen, d. h. die Bewegung des Siebs oder eine Bewegungsänderung hat keinen Einfluss auf die Messung, weshalb eine Quermessung rechtwinklig über die Bahn durchgeführt werden kann. Nachdem der Zähler 660 die Anzahl von aktuellen Impulsen gezählt hat, kann er eine neue Messung anfangen, und eine sukzessive und kontinuierliche Messung der Wassermenge ist somit möglich. Der Zähler 660 kann unter Verwendung von z. B. FPGA-(Field Programmable Gate Array), EPLD-(Electrically Programmable Logic Device) oder CPLD-Schaltungen (Complex Programmable Gate Array) ausgeführt werden.
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Es ist auch möglich, Referenzwerte in die Messeinheit 662 einzugeben, die der Messung der bloßen Bahn an denselben Stellen, wo der Gesamtwassergehalt des Siebs und der Bahn gemessen wurde, entsprechen. Auf diese Weise kann die Messeinheit 662 die Wirkung des Siebs in den Messungen löschen, wobei zum Beispiel die Wirkung von Wasser im Sieb eliminiert werden kann.
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7 veranschaulicht eine Messung des Wassergehalts der Bahn in Querrichtung. Die Vertikalachse repräsentiert den Wassergehalt auf einer frei ausgewählten Skala und die Horizontalachse repräsentiert die Lage in Querrichtung. Stellen 700, die mit Punkten markiert und mit einer kontinuierlichen Linie verbunden sind, entsprechen den Ergebnissen, die mit den zehn Resonatorsensoren von 6 gemessen wurden. Die gestrichelte Linie 702 stellt eine genauere Messung der Stelle dar. In der Messung gemäß dieses Beispiels sieht man die Tendenz, dass die Wassermenge nach rechts bis zu den Bezugszeichen zunimmt und fängt dann an abzunehmen.
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8 zeigt eine Messanordnung in einer Papiermaschine. Dieser Teil der Papiermaschine weist normalerweise einen Stoffauflaufkasten 800, ein oberes Sieb 802, ein unteres Sieb 804 und eine Pressenpartie 806 auf. Im Siebteil, der die oben erwähnten Teile ausschliesslich des Stoffauflaufkastens 800 und der Pressenpartie 806 aufweist, kann eine auf dem unteren Sieb 804 liegende Bahn beispielsweise durch mit Unterdruck betriebenen Saugkasten 812 entwässert werden. Zusätzlich oder alternativ sind zumindest einige Walzen meistens Saugwalzen zur Entwässerung der Bahn. Falls mehrere Resonatorsensoren verwendet werden, kann der Wassergehalt mit Resonatorsensoren 814 bis 828 an unterschiedlichen Stellen des Siebs gemessen werden. Durch aufeinanderfolgende Messungen kann die Verminderung des Wassergehalts bestimmt werden, wenn sich die Bahn entlang dem Siebteil bewegt. Falls die Entwässerung in Längsrichtung einer Bahn genau bestimmt werden soll, sollten die Messungen an verschiedenen Stellen im Siebteil mit der Bewegung der Bahn synchronisiert werden. Die Bahn wird dann in aufeinanderfolgenden Messungen an verschiedenen Stellen im Siebteil genau gemessen, und die Entwässerung am Siebteil kann aufgrund der Unterschiede im an entsprechenden Stellen der Bahn gemessenen Wassergehalt bestimmt werden. Falls die Messung anhand von mehreren Resonatorsensoren in Querrichtung des Siebs durchgeführt wird, kann die vom Siebteil hervorgebrachte Entwässerungsverteilung in Querrichtung der Bahn aufgrund der Unterschiede in den an den entsprechenden Stellen der Bahn gemessenen Wassergehalten bestimmt werden. Ein solches Messergebnis entspricht der Differenz der Kurven 700 und 704 in 7.
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Wenn eine Reihe von Resonatorsensoren verwendet wird, kann die Messung zum Beispiel mit einer Resonatorsensorreihe 828 am Ende des Siebteils durchgeführt werden. Der Wassergehalt des bloßen Siebs kann zum Beispiel mit einer Resonatorsensorreihe 830 bestimmt werden, und diese Messung kann als Referenz verwendet werden, wenn die Wirkung des Wassergehalts des Siebs in der gemeinsamen Messung des Wassergehalts des Siebs und der Bahn gelöscht wird. Der durchschnittliche Wassergehalt des Siebs kann auch in einem Labor separat im voraus geschätzt oder gemessen werden, worauf der Wassergehalt der Bahn ohne separate, mit einem oder mehreren Resonatorsensoren durchgeführte Referenzmessung bestimmt werden kann.
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9 zeigt weiterhin ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Messung des Wassergehalts. Im Schritt 900 bildet zumindest ein auf Radiofrequenz arbeitender Resonatorsensor ein elektrisches Nahfeld aus, und eine Bahn im Feld wirkt auf die Resonanzfrequenz des Resonatorsensors. Im Schritt 902 wird der Wassergehalt der Bahn als Funktion der Resonanzfrequenz jedes Resonatorsensors gemessen.
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Viele von den Schritten (z. B. 902) in den Verfahren können zum Beispiel mit einem Computerprogramm ausgeführt werden, das Routinen zur Ausführung der Verfahrensschritte enthält. Anstatt eines Computerprogramms kann die Messeinheit 662 eine Hardware-Lösung, zum Beispiel eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) oder eine von separaten Komponenten ausgebildete Funktionslogik anwenden.
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Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf die in den beige fügten Zeichnungen dargestellten Beispiele beschrieben wird, ist es klar, dass die Erfindung darauf nicht beschränkt wird, sondern auf viele Weisen im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifiziert werden kann.
