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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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Ein
Wassergehalt wird 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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Auch
die Ultraschalltechnik ist 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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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.
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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.
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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 nicht-linearen 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 10 000 bis 10 000 000 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 beigefügten 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.
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Zusammenfassung:
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Um
den Wassergehalt einer Bahn im Siebteil einer Papiermaschine zu
messen, bildet ein auf Radiofrequenz arbeitender Resonatorsensor
(600 bis 618) ein elektrisches Nahfeld, in dem
eine Bahn (402) auf die Resonanzfrequenz jedes Resonatorsensors
(600 bis 618) wirkt. Der Wassergehalt der Bahn
(402) wird als Funktion der Resonanzfrequenz jedes Resonatorsensors
(600 bis 618) in einer Messeinheit (662)
gemessen.
