DE19912500A1

DE19912500A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften einer laufenden Materialbahn

Info

Publication number: DE19912500A1
Application number: DE19912500A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ischdonat
Original assignee: Voith Sulzer Papiertechnik Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2000-09-21
Also published as: US6743337B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer laufenden Materialbahn, insbesondere einer Papierbahn in einer Papiermaschine, bei dem gleichzeitig mehrere Meßstellen auf der Materialbahn ausgeleuchtet und über zumindest eine optische Einrichtung auf eine in mehrere Einzel-Nachweisflächen unterteilte Nachweisfläche wenigstens eines Detektors abgebildet werden. DOLLAR A Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften einer laufenden Materialbahn, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer laufenden Materialbahn, insbesondere einer Papierbahn in einer Pa piermaschine.

Bei der Herstellung von Materialbahnen, z. B. von Papierbahnen, ist man bestrebt, möglichst viele Informationen über die im Entstehen befindliche Materialbahn während des Herstellungsprozesses zu erhalten, um gegebe nenfalls gezielt in dem Herstellungsprozeß eingreifen zu können.

Es ist bekannt, spektroskopische Messungen mit elektromagnetischer Strahlung im IR-Bereich an einer Papierbahn in einer Papiermaschine durchzuführen, um aus der Wechselwirkung der IR-Strahlung mit der Pa pierbahn Informationen über prozeßrelevante Kenngrößen zu ermitteln. Dabei werden traversierende, d. h. quer zur Bahnlaufrichtung verfahrbare, Meßköpfe eingesetzt, die mit mehreren diskreten Wellenlängen arbeiten, um die Papierbahn z. B. hinsichtlich der Feuchte, des Flächengewichts, der Opazität oder der Inhaltsstoffe zu untersuchen.

Problematisch bei derartigen traversierenden Systemen ist die hohe Pro duktionsgeschwindigkeit in modernen Herstellungsmaschinen, die bei Pa piermaschinen beispielsweise in der Größenordnung von 2000 m/min liegt. Mit den bekannten traversierenden Meßsystemen können bei derar tigen hohen Prozeßgeschwindigkeiten keine Querprofile bzw. lediglich so genannte zeitversetzte Querprofile ermittelt werden, so daß die Verteilung der jeweils interessierenden Kenngrößen über die Breite der Materialbahn nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit bestimmt werden kann. Des weiteren sind die großen Abmessungen traversierender Systeme von Nachteil, die daher nur an wenigen Stellen der Maschine, beispielsweise lediglich am Ende einer Papiermaschine, eingesetzt werden können.

Des weiteren ist es bekannt, kontinuierliche IR-Spektren mittels verschie dener mathematischer Verfahren auszuwerten, wobei die Messungen le diglich an einer Position erfolgen und häufig mit aufwendigen und teuren Instrumenten wie beispielsweise FTIR-Spektrometern durchgeführt wer den.

Bekannte Vorrichtungen bzw. Verfahren sind beispielsweise in der US 4,098,641, EP-0 137 696, WO 98/36264, WO 95/08019, WO 93/15389 und WO 95/31709 beschrieben.

Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), eine mög lichst einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Bestimmung von Ei genschaften einer laufenden Materialbahn zu schaffen, die es insbesonde re gestattet, schnelle Querprofile an beliebigen Stellen der Materialbahn zu ermitteln.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs und insbesondere dadurch, daß gleichzeitig mehrere Meßstellen auf der Materialbahn ausgeleuchtet und über zumindest eine optische Einrichtung auf eine in mehrere Einzel-Nachweisflächen unter teilte Nachweisfläche wenigstens eines Detektors abgebildet werden.

Erfindungsgemäß können gleichzeitig mehrere Bereiche der Materialbahn berührungslos untersucht werden. Die Unterteilung der Nachweisfläche des Detektors gestattet es, die durch die Abbildungen der Meßstellen auf der Detektor-Nachweisfläche erzeugten Signale zunächst nach Meßstellen getrennt zu verarbeiten bzw. auszuwerten und anschließend zu einem Ge samtbild der Materialbahn zusammenzusetzen. Gemäß der Erfindung wird pro Messung ein die Meßstellen enthaltener Teilbereich der Material bahn auf die Nachweisfläche des Detektors abgebildet. Mit jeder Messung wird somit eine Momentaufnahme der Materialbahn erhalten. Da erfin dungsgemäß an allen Meßstellen gleichzeitig gemessen wird, kann das Er gebnis für eine schnelle, unmittelbar im Anschluß an die Messung erfol gende Steuerung und/oder Regelung des Herstellungsprozesses genutzt werden. In Verbindung mit genügend schnellen Verarbeitungseinrichtun gen kann somit eine kontinuierliche Prozeßüberwachung mit der Möglich keit einer sofortigen Korrektur realisiert werden. Eine schnelle Regelung verhindert oder minimiert die Produktion von Ausschuß und hat geringere Qualitätsschwankungen zur Folge. Des weiteren wirkt sich eine durch die Erfindung ermöglichte schnelle Einflußnahme auf die Prozeßführung be sonders vorteilhaft bei Stoffwechseln bzw. allgemein bei Umstellungen auf ein anderes Produkt aus.

Grundsätzlich können erfindungsgemäß die Materialbahnen hinsichtlich jeder Eigenschaft untersucht werden, durch welche die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit der Materialbahn beeinflußt wird. Bei der Papierherstellung stellen beispielsweise der Feuchtigkeitsgehalt oder die Feuchte, das Flächengewicht, die Opazität, die Faserorientierung, die Dicke, die Oberflächeneigenschaften, die Art und/oder Verteilung von Inhaltsstoffen etc. Kenngrößen dar, bezüglich welcher eine Untersuchung der im Entstehen befindlichen Papierbahn oder des fertigen Produkts von Interesse ist. Die erfindungsgemäße Möglichkeit, in schneller Folge jeweils mehrere Bereiche der Materialbahn gleichzeitig zu untersuchen, gestattet es zum Beispiel, unmittelbar hinter der Pressenpartie einer Papiermaschi ne die Feuchtigkeit der Papierbahn zu messen, um auf der Grundlage der Meßergebnisse einen Dampfblaskasten der Trockenpartie zu regeln.

Die Erfindung ist weder auf Papiermaschinen noch auf lediglich bestimm te Positionen in einer Maschine beschränkt, sondern es können auch von anderen Materialbahnen, z. B. beliebigen Faserstoffbahnen - beispielsweise auch Kartonbahnen - sowie Textilbahnen, die jeweils interessierenden Ei genschaften bestimmt werden, und zwar an beliebigen Stellen der jeweili gen Herstellungsmaschine.

Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Meß stellen auf einer Geraden liegen, dann kann hierdurch die Materialbahn zeilenweise mittels des Detektors bzw. der optischen Einrichtung abgeta stet werden. Die Ausleuchtung der Materialbahn kann dabei derart erfol gen, daß die durch die Meßstellen festgelegte Gerade sich zumindest im wesentlichen senkrecht zur Bahnlaufrichtung erstreckt. Auf diese Weise können zeitnahe Querprofile der Materialbahn ermittelt werden, um so die Verteilung der jeweiligen Kenngröße über die Breite der Materialbahn zu bestimmen.

Die Verwendung elektromagnetischer Strahlung im IR-Bereich zum Aus leuchten der Meßstellen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungs form der Erfindung ermöglicht es, an den Meßstellen IR-Spektroskopie zu betreiben. Diese Strahlung ist insbesondere geeignet zur Bestimmung der Feuchte von Papierbahnen. Es kann beispielsweise Strahlung im Bereich von etwa 0,1 µm bis 40 µm verwendet werden. Ein bevorzugter Wellenlän genbereich liegt im nahen IR-Bereich und umfaßt z. B. Wellenlängen zwi schen etwa 1,0 µm und 2,5 µm.

Dabei kann die Materialbahn mittels geeigneter IR-Strahlungsquellen be leuchtet werden, um Reflexionsmessungen an beleuchteten Meßstellen durchzuführen, wobei bevorzugt die Messungen in diffuser Reflexion erfol gen. Es ist auch möglich, die Materialbahn mit IR-Strahlung zu durch leuchten und Transmissionsmessungen durchzuführen, indem diejenige Strahlung am Detektor nachgewiesen wird, welche die Materialbahn an den jeweiligen Meßstellen durchdringt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer den die Meßstellen jeweils mittels eines Lichtleiters abgebildet.

Mit Lichtleitern kann die von den Meßstellen stammende Strahlung an einen grundsätzlich beliebigen und insbesondere räumlich von der Ma terialbahn getrennten Ort geführt werden. Der für die Erfindung unmittel bar an der Materialbahn benötigte Raum wird auf diese Weise minimiert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auch bei beengten Platzver hältnissen und folglich prinzipiell an jeder Stelle einer Maschine zur Her stellung der Materialbahn durchgeführt werden. Der für den Detektor bzw. die sich an den Detektor anschließenden Einrichtungen zur Verfü gung stehende Raum ist somit nicht beschränkt. Die Erfindung ermöglicht daher auch die Durchführung von Messungen unmittelbar hinter den zur Beeinflussung der Herstellung dienenden Stellgliedern der Maschine. Auf diese Weise werden die Regelstrecken minimiert.

Es ist auch möglich, anstelle von Lichtleitern jeweils eine spaltförmige Blendenanordnung zur Abbildung der jeweiligen Meßstelle auf der Detek tor-Nachweisfläche zu verwenden, wobei die Blendenanordnung mit einer vor- und/oder nachgeschalteten Optik versehen sein kann.

Besonders aussagekräftige Ergebnisse können erhalten werden, wenn ge mäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung am Detektor zeitlich nacheinander, insbesondere periodisch, verschiedene Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche der von den Meßstellen stammenden elektromagnetischen Strahlung nachgewiesen werden.

In einem Beispiel werden am Detektor nacheinander die Wellenlängen 2,05 µm, 1,95 µm und 1,83 µm nachgewiesen. Derartige Messungen lie fern insbesondere bei der Bestimmung der Feuchte von Papierbahnen aussagekräftige Ergebnisse und sind besonders im Niedrigfeuchte-Bereich vorteilhaft. In jedem Anwendungsfall kann erfindungsgemäß dafür gesorgt werden, daß nur diejenige Strahlung am Detektor nachgewiesen wird, aus der Informationen über die jeweils interessierende Kenngröße der Ma terialbahn erhalten werden können.

Für wellenlängenabhängige Messungen kann dem Detektor eine Filterein heit vorgeschaltet sein, die mehrere Filterelemente unterschiedlicher Wel lenlängenselektivität umfaßt. Die Filterelemente können in Umfangsrich tung verteilt an einer drehbaren Scheibe angebracht sein, um durch Dre hung der somit nach Art eines Choppers wirkenden Scheibe zeitlich nach einander in den Strahlengang gebracht zu werden. Eine derartige Filter einheit bzw. Chopperscheibe ermöglicht eine periodische Auswahl der je weils nachzuweisenden Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche.

Zumindest ein Filterelement kann in einer Variante der Erfindung als Verlaufsfilter ausgebildet sein. Auf diese Weise können nacheinander in nerhalb eines kontinuierlichen Bereiches liegende Wellenlängen der von den Meßstellen stammenden Strahlung auf die Nachweisfläche des De tektors gelangen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zumindest einige Meßstellen jeweils auf genau eine Einzel-Nach weisfläche des Detektors abgebildet.

Die eindeutige Zuordnung jeweils einer Meßstelle zu einer auch als Pixel bezeichneten Einzel-Nachweisfläche des Detektors nutzt die mit dem je weiligen Detektor maximal erzielbare Ortsauflösung optimal aus.

Es ist erfindungsgemäß auch möglich, zumindest einige Meßstellen jeweils gleichzeitig auf mehrere Einzel-Nachweisflächen des Detektors abzubilden.

Die Zuordnung von Meßstellen jeweils zu mehreren Einzel-Nachweisflä chen, die auf diese Weise gewissermaßen zu einem "Superpixel" zusam mengefaßt sind, minimiert das Detektorrauschen und verbessert das Signal-/Rausch-Verhältnis der Messungen. Die jeweils einer Meßstelle zu geordneten Einzel-Nachweisflächen bzw. Pixel können sowohl im Rahmen der Signalbearbeitung bzw. -auswertung als auch hardwaremäßig zu ei nem "Superpixel" zusammengefaßt bzw. -geschaltet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer den eine oder mehrere zum Ausleuchten verwendete Strahlungsquellen und/oder die optische Einrichtung relativ zur Materialbahn vorzugsweise etwa senkrecht zur Bahnlaufrichtung bewegt, wobei bevorzugt die Bewe gung periodisch und insbesondere mit einer gegenüber der Breite der Materialbahn kleinen Amplitude erfolgt. Hierzu können die Strahlungs quellen und zumindest die Lichteintrittsbereiche der optischen Einrich tung - beispielsweise die jeweils mit einer Eintrittsfläche versehenen Ab schnitte von Lichtleitern - an einem sich senkrecht zur Bahnlaufrichtung über die Materialbahn erstreckenden Meßbalken angebracht sein, der in Längsrichtung bewegbar gelagert ist.

Mit einer quer zur Materialbahn bewegbaren Vorrichtung kann jeder Punkt auf der Materialbahn erreicht werden. Insbesondere in Abhängig keit von der Geschwindigkeit der Bewegung und der Auslese der Detektor- Signale wird somit eine lückenlose Untersuchung der Materialbahn reali sierbar.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden von dem Detektor gelieferte Signale an ein Prozeßleitsystem zur Steuerung und/oder Regelung des Herstellungsprozesses der Material bahn übermittelt.

In dem Prozeßleitsystem können die Signale - die gegebenenfalls in einer dem Prozeßleitsystem vorgeschalteten Auswerteeinheit vorverarbeitet und in einem Rechner durch Anwendung geeigneter Algorithmen aufbereitet werden - mit vorbestimmten Sollwerten der jeweiligen Kenngröße vergli chen werden. Auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses kann dann ge gebenenfalls in die Prozeßführung eingegriffen werden.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erfolgt außer dem durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und insbesondere dadurch, daß wenigstens eine Strahlungsquelle zum Aus leuchten von mehreren Meßstellen auf der Materialbahn, wenigstens ein Detektor mit einer in mehrere Einzel-Nachweisflächen unterteilten Nach weisfläche und zumindest eine optische Einrichtung zum Abbilden der Meßstellen auf die Nachweisfläche des Detektors vorgesehen sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprü chen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine an einer Papierbahn angeordnete Vorrich tung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2 zur Veranschaulichung der Bewegbarkeit der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 4 schematisch einen Endabschnitt einer optischen Einrich tung der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 5 schematisch einen Teil einer Nachweisfläche eines Detek tors der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 6 schematisch eine Draufsicht auf eine Filtereinheit der Vor richtung von Fig. 1, und

Fig. 7 schematisch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einer Papiermaschine.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßvor richtung zur Durchführung des Meßverfahrens gemäß der Erfindung.

Die Vorrichtung umfaßt eine als Meßbalken ausgebildete Meßeinheit 26, die sich über eine in Bahnlaufrichtung B laufende Papierbahn 10 hinweg senkrecht zur Bahnlaufrichtung B erstreckt. Die Meßeinheit 26 ist mit ei ner Vielzahl von - nicht dargestellten - näherungsweise punktförmigen Strahlungsquellen versehen, die jeweils elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich emittieren, und zwar bevorzugt im nahen IR-Bereich, bei spielsweise mit Wellenlängen im Bereich von etwa 1,0 µm bis 2,5 µm.

Mit den Strahlungsquellen werden kreisförmige Bereiche auf der Papier bahn 10 beleuchtet, die im folgenden als Meßstellen 11 bezeichnet werden und in Fig. 1 durch Punkte angedeutet sind. Die Meßstellen 11 liegen auf einer sich senkrecht zur Bahnlaufrichtung B erstreckenden Geraden. Grundsätzlich kann eine beliebig große Anzahl von Strahlungsquellen und somit Meßstellen 11 vorgesehen sein, um einen streifenförmigen Bereich auf der Papierbahn 10 zumindest im wesentlichen vollständig auszu leuchten.

Es ist auch möglich, zur Beleuchtung oder Durchleuchtung der Papier bahn 10 an den jeweils zu untersuchenden Meßstellen eine oder mehrere Strahlungsquellen mit jeweils einer streifen- oder spaltförmigen Licht austrittsfläche zu verwenden. Hierfür können beispielsweise Lichtleiter eingesetzt werden.

An dem Meßbalken 26 sind in Querrichtung verteilt eine Vielzahl von Lichtleitern 16 angebracht, deren Lichteintrittsflächen in unmittelbarer Nähe der von den Strahlungsquellen beleuchteten Meßstellen 11 auf der Papierbahn 10 angeordnet sind. Die Positionierung der Lichtleiter 16 er folgt derart, daß von den Strahlungsquellen ausgesandte Strahlung an den Meßstellen 11 reflektiert wird und jeweils in den zugeordneten Licht leiter 16 eintritt, der die Strahlung zu einer austrittsseitig angeordneten Optik 15 führt.

Die austrittsseitigen Enden der Lichtleiter 16 sind in einer Hülse 17 derart zusammengefaßt, daß eine von den Einzel-Austrittsflächen der Lichtleiter 16 gebildete Austrittsfläche vorhanden ist, die an den jeweils verwendeten Detektor 14 angepaßt ist. Dies wird nachfolgend anhand der Fig. 4 und 5 näher beschrieben.

Als Detektor 14 wird bevorzugt ein handelsüblicher Zeilendetektor einge setzt, dessen Nachweisfläche von IR-empfindlichen Photoleitern, beispiels weise Photodioden, gebildet wird.

Als Lichtleiter 16 werden bevorzugt wasserfreie Quarzfasern mit einem Durchmesser von etwa 200 µm verwendet, wobei jedoch auch andere Lichtleiter zum Einsatz kommen können. Die Abmessungen, insbesondere der Durchmesser, der Lichtleiter 16 sind an die Unterteilung der Nach weisfläche 13 des Detektors 14 angepaßt.

Anstelle der Lichtleiter 16 kann auch jeweils eine spaltförmige Blende mit vorgeordneter Optik eingesetzt werden, um die jeweilige Meßstelle 11 der Papierbahn 10 auf einem entsprechend angeordneten Detektor abzubil den.

Zwischen der Optik 15 und einer Nachweisfläche 13 des Detektors 14 ist eine Scheibe 24 einer Filtereinheit 18 angeordnet. Die Scheibe 24 ist mit tels eines handelsüblichen Gleichstrommotors zu einer Drehbewegung antreibbar. Die Scheibe 24, die nachstehend anhand von Fig. 6 näher be schrieben wird, ist mit unterschiedlichen wellenlängenselektiven Filter elementen versehen, die in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.

Dem Detektor 14 nachgeordnete Einrichtungen insbesondere zur Verar beitung und Auswertung der Detektor-Signale werden in Verbindung mit Fig. 7 erläutert.

In Fig. 2 sind auf der Papierbahn 10 Meßlinien 28 dargestellt, durch wel che diejenigen Bereiche der unter der Meßeinheit 26 hindurchlaufenden Papierbahn 10 angedeutet sind, die zuvor beleuchtet und somit in erfin dungsgemäßer Weise durch die Vorrichtung untersucht wurden.

Durch die in Bahnlaufrichtung B vorhandenen Unterbrechungen in den jeweils einer Strahlungsquelle bzw. einer Meßstelle 11 zugeordneten Meß linien 28 ist angedeutet, daß erfindungsgemäß die Messung diskontinu ierlich z. B. derart erfolgen kann, daß entweder die Strahlungsquellen ab wechselnd ein- und ausgeschaltet werden oder bei der Auslese des De tektors 14 zwischen den einzelnen Messungen Totzeiten vorhanden sind. Derartige kurze Meßpausen können z. B. durch das Umschalten zwischen verschiedenen Filterelementen einer Filtereinheit bedingt sein. In den Meßpausen können auch Referenzmessungen durchgeführt werden, wie an anderer Stelle erläutert wird.

Ein Beispiel für eine kontinuierliche Messung, die ununterbrochene Meß linien 28 zur Folge hat, ist in Fig. 3 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Meßeinheit 26 während der Messung außerdem periodisch relativ zur Papierbahn 10 und senkrecht zur Bahnlaufrichtung B bewegt, wie durch die Pfeile angedeutet. Die Bewegung erfolgt dabei mit einer - bezo gen auf die Breite der Papierbahn - kleinen Amplitude, so daß sich die Meßlinien 28 nicht schneiden. Die gemäß Fig. 3 zu zickzack-förmigen Meßlinien 28 führende periodische Bewegung der Meßeinheit 26 könnte alternativ z. B. auch derart erfolgen, daß sich sinusförmige Meßlinien 28 ergeben.

Die Bewegbarkeit der Meßeinheit 26 relativ zur Papierbahn 10 hat den Vorteil, daß die Papierbahn 10 in Querrichtung vollständig abgetastet werden kann, ohne daß hierfür der grundsätzliche Aufbau der Meßvor richtung geändert werden müßte.

Fig. 4 zeigt eine Hülse 17, in der die austrittsseitigen Endabschnitte der Lichtleiter 16 derart zusammengefaßt sind, daß die Einzel-Austrittsflä chen 32 der Lichtleiter 16 auf einer Geraden liegen und insgesamt eine näherungsweise streifenförmige Austrittsfläche der optischen Einrichtung bilden. Die Länge der Austrittsfläche übersteigt die entsprechende Abmes sung der Nachweisfläche 13 des Detektors 14 (vgl. Fig. 1) nicht, um alle Einzel-Austrittsflächen 32 der Lichtleiter 16 - und somit alle Meßstellen 11 - auf der Detektor-Nachweisfläche 13 abbilden zu können. In dem für die Lichtleiter 16 vorgesehenen Spalt der Hülse 17 sind die Lichtleiter 16 in einer Reihenfolge über- bzw. nebeneinander angeordnet, die der Rei henfolge ihrer Lichteintrittsflächen über den Meßstellen 11 auf der Papier bahn 10 entspricht.

Fig. 5 zeigt die Abb. 32a der Einzel-Austrittsflächen 32 der Licht leiter 16 und somit der Meßstellen 11 auf der Nachweisfläche 13 des De tektors 14, die in jeweils rechteckige Einzel-Nachweisflächen oder Pixel 12 unterteilt ist, welche jeweils von einem der IR-empfindlichen Einzeldetek toren, z. B. einem Photoleiter bzw. einer Photodiode, gebildet wird.

Aus Fig. 5 geht hervor, daß die Einzel-Austrittsflächen 32 der Lichtleiter 16 gleichzeitig auf mehrere Pixel 12 des teilweise dargestellten Detektors 14 abgebildet werden, und zwar auf jeweils zwei Pixel 12 bei den beiden oberen dargestellten Abb. 32a und auf drei Pixel 12 bei der unte ren Abb. 32a. Die jeweils einem Lichtleiter 16 zugeordneten Pixel 12 können software- oder hardwaremäßig zusammengefaßt bzw. -geschaltet werden. Während auf diese Weise ein verbessertes Signal-/Rausch- Verhältnis erhalten wird, ist es erfindungsgemäß auch möglich, jede Ein zel-Austrittsfläche 32 bzw. Meßstelle 11 auf lediglich einem einzigen Pixel 12 abzubilden, um auf diese Weise die mit dem jeweiligen Detektor 14 maximal mögliche Ortsauflösung zu nutzen. Ob die Abbildung jeweils auf ein oder mehrere Pixel 12 erfolgt, hängt unter anderem vom Durchmesser der Lichtleiter 16 und vom Aufbau der Nachweisfläche 13 des Detektors 14 ab. Die Abbildungseigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung können außerdem durch die Optik 15 beeinflußt werden.

Gemäß Fig. 6 ist in der Draufsicht auf die Filterscheibe 24 der Filterein heit 18 zu erkennen, daß vier in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt an geordnete, kreisförmige Filterelemente 22 vorgesehen sind. Jedes Filterele ment 22 ist für Strahlung mit einer einzigen Wellenlänge bzw. mit inner halb eines schmalen Fensters liegenden Wellenlängen durchlässig. Aus der Strahlung, die auf die in eine oder beide Richtungen drehbare Scheibe 24 auftrifft, können somit nacheinander jeweils eine oder mehrere diskrete Wellenlängen, die am Detektor 14 nachgewiesen werden sollen, herausge filtert werden. Dabei erfolgt die Wellenlängenauswahl aufgrund der Schei bendrehung periodisch. Die Anzahl, Art und/oder Anordnung der Filter elemente 22 an der Scheibe 24 ist grundsätzlich variabel und wird ent sprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt. Es kann auch ein Satz von austauschbaren Chopperscheiben 24 vorgesehen sein.

Es ist auch möglich, anstelle einzelner Filterelemente 22 oder zusätzlich zumindest einen z. B. halbkreisförmigen und somit einen Drehwinkel von 180° abdeckenden Verlaufsfilter in die Scheibe 24 zu integrieren, so daß sich die Wellenlängenselektivität der Scheibe 24 während der Drehung kontinuierlich ändert.

Die mit einzelnen Filterelementen 22 versehene, nach Art eines Choppers wirkende Scheibe 24 gemäß Fig. 6 kann z. B. mit Hilfe eines handelsübli chen Gleichstrommotors angetrieben werden. Bevorzugt ist im Rahmen der Meßsteuerung die Scheibe 24 bzw. die Filtereinheit 18 als "Master" derart ausgelegt, daß von einer Steuereinheit jede Einzelmessung erst dann gestartet wird, wenn die jeweilige Drehposition der Scheibe 24 er reicht und sich das jeweilige Filterelement 22 bzw. ein für eine Referenz messung verwendeter, für die jeweilige Strahlung undurchlässiger Zwi schenraum im Strahlengang beindet. Es kann auch ein Schrittmotor zur Steuerung der Drehbewegung der Scheibe 24 eingesetzt werden.

Die zwischen den Filterelementen 22, d. h. an der Scheibe 24, durchge führten Referenzmessungen können dazu genutzt werden, eine DC-Drift des Detektors 14 zu unterbinden und den Dynamikbereich des Detektors 14 voll auszunutzen. Hierzu kann auf der Grundlage der Referenzsignale der Dunkelstrom des Detektors 14 korrigiert werden.

Gemäß Fig. 7 ist dem Detektor 14 eine Auswerte- und Steuereinheit 34 nachgeordnet, in welcher die vom Detektor 14 gelieferten Signale für die weitere Verarbeitung vorbereitet werden und welche den Ablauf der Mes sungen einschließlich des Betriebs der in Fig. 7 nicht dargestellten Fil tereinheit 18 steuert.

Eine Digitalisierung der Signale kann bereits im Detektor 14 oder in der Auswerte- und Steuereinheit 34 erfolgen. In einem Rechner 36 werden die Signale bzw. Daten mittels geeigneter Algorithmen weiterverarbeitet. Diese Algorithmen umfassen beispielsweise Minimum-Maximum-Verfahren, chemometrische Methoden, Fuzzy-Algorithmen und neuronale Netze. Vor der Anwendung von Auswerte-Algorithmen können die Signale einem Aus gleichsverfahren unterzogen werden, um eventuelle Unterschiede im Ant wortverhalten einzelner oder zu Gruppen zusammengefaßter Pixel bzw. Einzel-Nachweisflächen 12 des Detektors 14 auszugleichen. Eine derartige Ausgleichsfunktion kann auch hardwaremäßig implementiert werden.

In einem mit dem Rechner 36 kommunizierenden Prozeßleitsystem 20 werden die in der vorstehend erwähnten Weise aufbereiteten Daten mit entsprechenden Sollwerten der jeweiligen Kenngröße, hinsichtlich der die Papierbahn 10 untersucht wird, verglichen, um gegebenenfalls Steuer- und/oder Regelparameter zu errechnen, die als Grundlage für einen in Fig. 7 durch den Pfeil R angedeuteten Eingriff in den Herstellungsprozeß beispielsweise durch Beaufschlagen entsprechender Stellglieder dienen.

Auf der Grundlage der an den Meßstellen 11 ermittelten Papierbahn- Eigenschaften kann folglich erfindungsgemäß der Betrieb der Papierma schine 38, die in Fig. 7 durch eine um mehrere Walzen 40 geführte Pa pierbahn 10 angedeutet ist, oder eines Teils davon optimiert werden.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß insbesondere für die Strah lungsquellen, die Lichtleiter 16, die Filtereinheit 18 einschließlich ihres Antriebsmotor 30 sowie den Detektor 14 handelsübliche Komponenten verwendet werden können. Hierdurch wird erfindungsgemäß eine beson ders kostengünstige und dennoch aussagekräftige Ergebnisse liefernde Möglichkeit zur Bestimmung von Eigenschaften von Materialbahnen und für eine schnelle Prozeßführung geschaffen.

Bezugszeichenliste

10

Materialbahn, Papierbahn

11

Meßstelle

12

Einzel-Nachweisfläche, Pixel

13

Nachweisfläche

14

Detektor

15

Optik

16

Lichtleiter

17

Hülse

18

Filtereinheit

20

Prozeßleitsystem

22

Filterelement

24

Scheibe

26

Meßeinheit

28

Meßlinie

30

Motor

32

Einzel-Austrittsfläche

32

a Abbildung der Einzel-Austrittsfläche

34

Auswerte- und Steuereinheit

36

Rechner

38

Papiermaschine

40

Walze
B Bahnlaufrichtung
R Steuerung und/oder Regelung

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer laufenden Ma terialbahn (10), insbesondere einer Papierbahn in einer Papierma schine (38), bei dem gleichzeitig mehrere Meßstellen (11) auf der Materialbahn (10) ausgeleuchtet und über zumindest eine optische Einrichtung (15, 16, 17) auf eine in mehrere Einzel-Nachweisflächen (12) unterteilte Nachweisfläche (13) wenigstens eines Detektors (14) abgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen (11) auf einer sich zu mindest im wesentlichen senkrecht zur Bahnlaufrichtung (B) er streckenden Geraden liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausleuchten der Meßstellen (11) elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich verwendet wird, insbe sondere im nahen IR-Bereich und bevorzugt im Wellenlängenbereich von etwa 1,0 bis 2,5 µm.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung von Reflexions messungen die Materialbahn (10) an den Meßstellen (11) beleuchtet wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung von Trans missionsmessungen die Materialbahn (10) an den Meßstellen (11) durchleuchtet wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige Meßstellen (11) je weils mittels eines Lichtleiters (16) abgebildet werden.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige Meßstellen (11) je weils mittels einer bevorzugt spaltförmigen Blendenanordnung mit vorzugsweise vor- und/oder nachgeschalteter Optik abgebildet wer den.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Detektor (14) zeitlich nacheinan der, insbesondere periodisch, verschiedene Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche der von den Meßstellen (11) stammenden elektromagnetischen Strahlung nachgewiesen werden.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Detektor (14) zumindest ein die Wellenlängen 2,05 µm, 1,94 µm und 1,83 µm umfassendes diskretes Strahlungsspektrum nachgewiesen wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Wellenlängen und/oder Wel lenlängenbereich der nachzuweisenden Strahlung mittels zumindest einer bevorzugt zwischen der optischen Einrichtung (15, 16, 17) und der Detektor-Nachweisfläche (13) angeordneten Filtereinheit (18) ausgewählt werden.

11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen (11) mittels nähe rungsweise punktförmiger und/oder einer oder mehrerer linienför miger Strahlungsquellen ausgeleuchtet werden.

12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige Meßstellen (11) je weils auf genau eine Einzel-Nachweisfläche (12) des Detektor (14) abgebildet werden.

13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige Meßstellen (11) je weils gleichzeitig auf mehrere Einzel-Nachweisflächen (12) des De tektors (14) abgebildet werden.

14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere zum Ausleuchten verwendete Strahlungsquellen und/oder die optische Einrichtung (15, 16, 17) relativ zur Materialbahn (10) und bevorzugt etwa senk recht zur Bahnlaufrichtung (B) bewegt werden, wobei bevorzugt die Bewegung periodisch und insbesondere mit einer gegenüber der Breite der Materialbahn (10) kleinen Amplitude erfolgt.

15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Detektor (14) gelieferte Si gnale an ein Prozeßleitsystem (20) zur Steuerung und/oder Rege lung des Herstellungsprozesses der Materialbahn (10) übermittelt werden, wobei bevorzugt vor Übermittlung an das Prozeßleitsystem (20) eine Signalaufbereitung erfolgt.

16. Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften einer laufenden Materialbahn (10), insbesondere einer Papierbahn in einer Papier maschine (38), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenig stens einer Strahlungsquelle zum Ausleuchten von mehreren Meß stellen (11) auf der Materialbahn (10), mit wenigstens einem Detek tor (14) mit einer in mehrere Einzel-Nachweisflächen (12) unterteil ten Nachweisfläche (13), und mit zumindest einer optischen Ein richtung (15, 16, 17) zum Abbilden der Meßstellen (11) auf die Nachweisfläche (13) des Detektors (14).

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere näherungsweise punktförmi ge Strahlungsquellen und/oder zumindest eine näherungsweise linienförmige Strahlungsquelle vorgesehen sind bzw. ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (15, 16, 17) mehrere jeweils einer Meßstelle (11) zugeordnete Lichtleiter (16) umfaßt, deren Eintrittsflächen bevorzugt in unmittelbarer Nähe der Materialbahn (10) angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (16) in Form von Fasern bevorzugt aus wasserfreiem Quarz vorgesehen sind, deren Durch messer vorzugsweise jeweils etwa 200 µm beträgt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (16) austrittsseitig zu einer zumindest näherungsweise an die Form der Detektor-Nach weisfläche (13) angepaßten und insbesondere spaltförmigen Aus trittsfläche zusammengefaßt sind.

21. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (14) in Form eines Zei lendetektors mit einer streifenförmigen und bevorzugt in mehrere Pixel (12) unterteilten Nachweisfläche (13) vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Detektor (14) vorgeschaltete Filtereinheit (18) mehrere Filterelemente (22) unterschiedlicher Wel lenlängenselektivität umfaßt, die zeitlich nacheinander in den Strahlengang bringbar und bevorzugt in Umfangsrichtung verteilt an einer drehbaren Scheibe (24) angebracht sind.

23. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Strahlungsquelle und Lichteintrittsbereiche der optischen Einrichtung (15, 16, 17) zu ei ner Meßeinheit (26) zusammengefaßt sind, die sich bevorzugt senk recht zur Bahnlaufrichtung (B) über zumindest im wesentlichen die gesamte Breite der Materialbahn (10) erstreckt und vorzugsweise relativ zur Materialbahn (10) etwa senkrecht zur Bahnlaufrichtung (B) bewegbar ist.