DE2212974A1 - Einrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes und/oder Flaechengewichtes von Papierbahnen - Google Patents

Description

HELMUT MISSLING es g.essen,16.3.1972

BISMARCKSTRASSE 43

. RICHARD SCHLEE telefon:toe*«73^0

PATENTANWÄLTE Βθβ/Sn 11.095

Dr₍-Ing. Joachim Boeder

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Västeras /Schweden

Einrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes und/oder Flächengewichtes von Papierbahnen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes und/oder des Flächengewichtes von Papierbahnen mit mindestens einer Strahlungsquelle·

Eine an und für sich bekannte Methode für derartige Feuchtigkeitsgehalts - oder Flächengewichtsmessungen ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Papierbahn 11 passiert eine Meßstelle, auf deren einen Seite sich ein fester oder traversierender Meßkopf mit Infrarotlichtquelle 12 befindet und auf deren anderen Seite sich ein zweiter Meßkopf, bestehend aus einem an ein Vergleichsglied 15 angeschlossenen Detektor 14, befindet. Bei einer Traversierung des erstgenannten Meßkopfes traversiert auch der zweite Meßkopf synchron mit dem erstgenannten. In dem ersten Meßkopf befindet sich eine rotierende Filterscheibe 13, die mit zwei verschiedenen Arten von Filtern, die einander abwechselnd auf einem Kreis angeordnet sind, versehen ist. Die von der Infrarotlichtquelle 12 ausgehenden Strahlen durchdringen .also

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abwechselnd die eine oder die andere Art von Filter und gelangen durch die Papierbahn 11 zum Detektor 14. Das eine Filter ist so gewählt, daß der durchtretende Strahl eine Wellenlänge hat, die stark vom Wasser (Feuchtigkeit) in der Papierbahn 11 absorbiert wird, während das andere Filter so gewählt ist, daß der durchtretende Strahl eine Wellenlänge hat, die nicht vom Wasser im Papier absorbiert wird. Indem man mit dem Detektor 14 die Intensität der durch die Papierbahn tretenden Strahlung bald für die eine, bald für die andere Wellenlänge mißt, erhält man ein Maß für die vom Wasser absorbierte Strahlungsintensität und damit ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt. In ganz ähnlicher Weise kann man auch Flächengewicht, Aschengehalt sowie andere Größen des Papieres messen.

Eine weitere, ähnliche Meßmethode ist in der Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Methode enthält der eine Meßkopf (fest oder traversierend) eine Lichtquelle 16 und einen Detektor 17 für die Referenzstrahlung. Der von der Infrarotlichtquelle 16 ausgehende Strahl passiert einen halbdurchlässigen Spiegel zum Referenzdebektor 17, während ein Teil der Strahlung vom Siegel reflektiert wird und die Papierbahn 11 zum Detektor eines zweiten Meßkopfes passiert, wobei das Ausgangssignal des Detektors 18 von dem Feuchtigkeitsgehalt oder Flächengewicht des Papieres abhängig ist. Ein Teil der durch das Papier tretenden Strahlung wird von dem Wasser in der Bahn absorbiert.

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Um ein Meßsignal für den Feuchtigkeitsgehalt zu erhalten, werden die Ausgangs signale von den "beiden Detektoren 17 "und 18 in einem Vergleichsglied 19 verglichen, dessen Ausgangssignal ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt ist (siehe unten). Die Meß- und Referenzsignale betreffen in diesem Fall dieselben Zeitpunkte. Die beiden Meßköpfe können gleichzeitig über die Bahn traversieren. Die letztgenannte Methode kann auch beim Messen der MikroStruktur des Papiers angewendet werden.

Derartige traversierende Meßköpfe für diese Methoden sind ziemlich groß und müssen quer zur Bewegungsrichtung der Papierbahn hin- und herbewegt werden. Die tragenden Balken sind deshalb ziemlich kräftig und die Konstruktionen kostspielig. Außerdem mub ein Bündel elektrischer Kabel zu den beweglichen Meßköpfen 12, 14, 16 - 20, 18 geführt werden, was eine weitere Komplikation bedeutet. Die Meßköpfe und die Traversierungsausrüstung sind häufig Präzisionsgeräte. Die Temperaturempfindlichkeit der Ausrüstung in den Meßköpfen und die der Balken (aufgrund von Wärmespannungen und Biegung) hat zur Folge, daß die Montage gewöhnlich nicht an warmen Plätzen möglich ist, was jedoch oftmals wünschenswert wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Einrichtung der beschriebenen Art derart weiter zu entwickeln, daß die beschriebene Temperaturanfälligkeit und die Kompliziertheit des mechanischen Aufbaues beseitigt oder wesentlich vermindert werden.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dab sich auf der einen Seite der Papierbahn ein Spiegel oder ein Spiegel- oder·Linsensystem befindet, der oder das verschiebbar an einem sich quer über die Papierbahn erstreckenden Balken montiert ist und die Strahlung von der Quelle durch die Papierbahn gegen einen entweder ebenfalls verschiebbar montierten i^.egel oder ein Spiegel- oder Linsensystem auf der anderen Seite des Papiers und weiter gegen einen Detektor lenkt oder gegen einen mit dem ersten Spiegel synchron traversierenden Detektor , und daß die Strahlungsquelle und/oder die Detektoren seitlich der Papierbahn angebracht sind. Bei einer solchen Einrichtung kann die schwere Ausrüstung seitlich der Papierbahn angebracht werden, und nur der leichte bzw. die leichten Spiegel sind tr aver si er end. Man erhält eine Ausrüstung, die an v/armen Plätzen, z.B. in der Trockenpartie einer Papiermaschine, montiert werden kann.

Anhand des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden:

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei ihrer Anwendung an einer Papiermaschine.

Außerhalb einer Papierbahn 21 v/erden eine oder mehrere Strahlungsquellen 22 (Infrarotstrahler, Laserstrahler,

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Lumineszenzdiode) sowie ein oder mehrere - im Ausführungsbeispiel zwei - Detektoren 23, 24 montiert, die einen (23) für Strahlung, die durch das Papier gegangen und teilweise von dem darin enthaltenen Wasser absorbiert wurde, die anderen (24) als Referenzdetektoren für diese Strahlung. Durch zweckmäßige Ausführung der Strahlungsquellen werden konzentrierte, parallele Strahlenbündel erzielt, die längs der Papierbahn 21 in deren Querrichtung gericht werden. Ober- und unterhalb der Papierbahn 21 sind schräggestellte (evtl. mit verstellbarem Winkel) Spiegel 27,- 28 oder ein Spiegel- oder Linsensystem auf Traversierungsbalken 25, 26 montiert. Diese Spiegel reflektieren die Strahlenbündel und Henken sie durch die Papierbahn zu einem oder mehreren Detektoren 23 seitlich der Papierbahn. Man kann evtl. den Spiegel 28, der die Strahlung nach Durchtritt durch die Papierbahn ablenkt, so drehen, daß er die Strahlung durch die Papierbahn zum ersten Spiegel 27 und zur Kante der Papierbahn, wo der Detektor montiert ist, zurückwirft.

Ein Teil der von der Strahlungsquelle 22 ausgehenden Strahlung wird durch einen näher an der Strahlungsquelle gelegenen Spiegel 29 in Richtung auf einen zweiten Detektor 24 (== Referenzdetektor) abgelenkt. Die Ausgangssignale beider Detektoren 23 und 24 werden einem Vergleichsglied 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal (der Unterschied zwischen oder der Quotient aus Meß- und Referenzsignale) ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt

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oder das Flächengewicht des Papiers bildet. Der Wassergehalt, evtl. die Dicke oder eine andere Größe der Papierbahn, führen zu einer gewissen Absorbierung der durch die Papierbahn gehenden Strahlung. Durch geeignete Wahl der Strahlungswellenlänge kann man durch Messen der durch das Papier gegangenen Strahlung ein sicheres Maß für den Feuchtigkeitsgehalt und das Flächengewicht erhalten. Die hier beschriebene Einrichtung kann auch mit einer Einrichtung zur Flächengewichtsmessung, die auf einer f > -Strahlenabsorbierung beruht, kombiniert werden.

Sine Biegung der Balken 25, 26 aufgrund ungleichmäßiger Erwärmung läßt sich nicht vermeiden, wenn diese an einem warmen Platz montiert werden. Da sich dann auch die Fläche der Spiegel 27, 28 dreht, wurden Einrichtungen für eine ausgleichende Drehung der Spiegel erforderlich sein, damit die Strahlenbündel trotz der Biegung der Balken weiterhin die Detektoren 23 und . 24 treffen. Ein solcher Ausgleich ist leicht möglich, wenn man darauf achtet, daß die Balken sich gleich stark in derselben Richtung biegen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß beide Balken mit derselben Festigkeit und großem seitlichen Biegungswiderstand versehen werden. Biegen sich also beim Erwärmen beide Balken, z.B. gleich stark nach oben, so hat diese Biegung keine Bedeutung, und die Strahlenbündel treffen weiterhin die Detektoren. Die Parallelwerschiebung der Strahlenbündel aufgrund der Balkenbiegung ist ohne Einfluß. Es handelt sich also nur um leichte Spiegel und keine schwere und empfindliche Meßausrüstung, die sich bei der Traversierung längs der Balken 25, 26 bewegt.

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Es ist wichtig, daß die Spiegel 27, 28, 29 saubergehalten werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß entweder die Spiegel gegen Reinigungsbürsten (nicht gezeigt) rotieren oder hin- und herbewegt werden, oder daß diese Bürsten über die Spiegelflächen rotieren bzw. sich hin- und herbewegen. Man kann die Flächen auch mit Luft reinblasen oder sie mit hin- und hergehenden Wischern in der Art von Autoscheibenwischern (nicht gezeigt) versehen.

Um eine Beeinflussung der Strahlung durch Staub oder Wassertropfen zu vermeiden, können die Balken 26, 27 in der Form von Kästen oder Rohren 31 ausgeführt werden. Die Spiegel 27, 28 können dabei in diesen Rohren 31 bewegt werden, wobei ein darin befindlicher schmaler Spalta 32, der zur Papierbahn 21 hin offen ist, den Durchtritt der Strahlenbündel durch die Bahn ermöglicht. Den größten Teil der Strecke legen die Strahlenbündel im Inneren des Kastens bzw. des Rohres zurück, in den bzw. Gte man gleichzeitig trockene und reine Luft einblasen kann.

Die Referenzbildung ist auf zwei verschiedenen Wegen möglich. In dem einen Fall wird ein Teil 34 der Strahlung vor dem Durchtritt durch die Papierbahn abgelenkt und einem Referenzdetektor 24 zugeführt, während die übrige Strahlung unter teilweiser Absorbierung die Papierbahn passiert'und dem Detektor 23 zugeführt wird. Die Ausgangssignale beider Detektoren 24, 23 werden einem Vergleichsglied.30 zugeführt. Dieses kann aus

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einer Rechenausrüstung bestehen, die die Angaben über den Feuchtigkeitsgehalt am Ausgang 35 auswirft. In dem anderen Fall passiert die gesamte Strahlung die Papierbahn und wird dem Detektor 23 zugeführt. Jedoch wird die Strahlung zeitlich nacheinander mittels verschiedener Filter in zwei Strahlungen verschiedener Wellenlänge aufgeteilt, wobei die eine Wellenlänge (z.B. 1,93 /u) stark und die anderen Wellenlänge (z.B. 1,7 bis 1,8 /u) nur sehr gering vom Wasser in der Papierbahn absorbiert wird. Dieses letztgenannte Strahlenbündel wird dann als Referenz verwendet. Die Stärke, mit der die Intensität der am Detektor eintreffenden Strahlung schwankt, ist also ein Maß für den Wassergehalt in der Papierbahn.

Die Zellulosemenge und andere Papierkomponenten können in derselben Weise wie der Feuchtigkeitsgehalt mit Infrarottechnik gemessen werden. Jedoch muß eine andere Wellenlänge gewählt werden (2,11 /u oder 3»45 /U werden in der Literatur vorgeschlagen). Ein weiteres.Strahlenbündel mit einer dieser beiden Wellenlängen würde dann hinzugefügt werden.

Die üblichste Methode für die Flächengewichtsmessung von Papier ist heute die Absorbierung von β -Strahlen. Ein Meßkopf auf der einen Seite der Papierbahn erhält dabei die radioaktive Strahlenqualle, und ein zweiter auf der anderen Seite der Papierbahn enthält den Detektor (z.B. Ionisationskammer). Das erfindungsgemäße frinzip für die Feuchtigkeitsmessung kann leicht mit der Flächengewichtsmessung kombiniert werden. Quer

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durch die beiden Meßköpfe, winkelrecht zur Ebene der Papierbahn, werden Löcher vorgesehen, durch die die Strahlenbündel geleitet werden. Auf der Oberseite der Meßköpfe, d.h. auf der von der Papierbahn abgewandten Seite, werden die Spiegel 27, 28 montiert. Der Strahlengang kann dabei mit Vorteil im Balkensystem der Flächengewichtsausrüstung vorgesehen werden.

Die hier vorgeschlagene Technik läßt sich ebenfalls auf anderen Gebieten, z.B. bei der Messung von Streichschichten und in der KunststoffIndustrie, anwenden.

Für den Fall, daß ein zu großer Anteil des Lichtes der parallelen Strahlenbündel bei dem Durchtritt durch das Papier durch Streuung verloren geht, müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, damit Licht genügender Intensität zu den Detektoren gelangt.

Gemäß einer Alternative kann der Spiegel 28 durch eine Linsenanordnung oder dergleichen ersetzt werden, die nicht nur die Strahlenbündel zu dem Detektor 23 lenkt, sondern auch eine Fokussierung des Lichtes bewirkt. Die Fokussierungseinrichtung des Linsensystemes kann dabei mit der Lage der Linsen-Spiegel-Anordnung verbunden sein, so daß man immer eine richtige Einstellung der Linsen erhält.

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Gemäß einer anderen Alternative kann der Spiegel 28 durch einen traversierenden Detektor ersetzt werden, wobei die Strahlungsquelle 22 immer noch außerhalb der Kante der Papierbahn montiert werden kann.

Bei besonders dicken Papiersorten kann es notwendig oder vorteilhaft sein, anstatt der durchgehenden Strahlung die von der Papierbahn reflektierte Strahlung zu messen, was aber in Bezug auf die traversierenden Glieder keine Abweichung von dem oben Beschriebenen bedeutet.

Es ist bekannt, daß einem Papierbruch in einer Papiermaschine eine gewisse Instabilität bestimmter variabler Prozeßgrößen wie Flächengewicht, Feuchtigkeitsgehalt oder dgl. (sowie Druck in dem Einlaufkasten, Niveau in der Maschinenbütte, Spannung in der Papierbahn usw.) vorausgeht. Eine derartige Instabilität kann manchmal 10 Minuten vor einem Bandbruch auftreten. In entsprechender Weise beruht das Unterschreiten der Qualitätsspezifikationen von Produkten aus Chemieprozessen darauf, daß die variablen Prozeßgrößen oftmals schon viel früher Zeichen einer Instabilität aufweisen. Ein ausgezeichnetes Hilfsmittel, zweckmäßig in Kombination mit den obengenannten Einrichtungen, kann aus einer Prozeßdatamaschine, einem Einspiel-, Überwachungsund Berechnungsprogramm sowie einer Operateurverbindung mit Fernsehschirm, Schreibmaschine und Operateurbedienungstafel mit dazugehöriger Ausrüstung bestehen.

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Durch Ablesen von beispielsweise des Ausgangssignals 35 des Vergleichsgliedes 30 wird ein Durchschnittswert für eine bestimmte Periode sowie die Variationsbreite, Streuung oder der Variationskoeffizient errechnet. Ein normaler Wert für eine dieser Größen ist im Voraus angegeben. Wenn eine variable Größe anfängt, instabil zu werden, merkt man dies zuerst daran, daß die Variationsbreite, der Variationskoeffizient und die Streuung zunehmen, d.h. außerhalb/ler angegebenen Grenzen fallen, so daß Alarm ausgelöst werden kann. Für die Operateurverbindung steht in erster Linie ein Fernsehschirm zur Verfügung, der zweckmäßig in Tabellenform angibt:

Signalnummer

Durchschnittswert

Variationsbreite, Siraiung oder Varjabionskoeffizient.

Werden die für diese Werte vorgegebenen Grenzen überschritten, so wird Alarm ausgelöst und ein Asteriskus und/oder eine Unterstreichung erscheint bei dem betreffenden Signal. Gleichzeitig erfolgt Ausschrift auf der Schreibmaschine» Nachdem der Operateur Maßnahmen ergriffen hat und das Signal wieder normal ist, verschwinden Asteriskus und Unterstreichung, und man erhält eine neue Ausschrift mit Zeitangabe.

Die Information, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf dem Fernsehschirm erscheint, kann auf Verlangen des Operateurs auch auf der Schreibmaschine ausgeschrieben werden.

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Die Operateurbedienungstafel schließlich wird u.a. für die
Einstellung der als normal geltenden Werte für Variationsbreite, Streuung usw. angewendet sowie außerdem, um den Alarm zu
quittieren, um eine Ausschrift aEufordern usw.

Um die Normalwerte festzulegen, die als Grenzwerte für die
Variationsbreite usw. vorgegeben werden sollen, beobachtet man die Ziffern auf dem Fernsehschirn zu einem Zeitpunkt, an dem
die Papiermaschine (oder der Prozeß) gut läuft, d.h. wenn die
Instabilität verhältnismäßig gering ist. Die auf dem Schirm
erscheinenden Werte für Streuung oder dgl. können dann bei der Festlegung der Grenzen, die mit Hilfe der Operateurbedienungstafel eingestellt werden sollen, verwendet werden.

Die letztgenannte Ausrüstung ist ein Beispiel dafür, wie man
zweckmäßig die vom Vergleichsglied 30 ausgehenden Signale ausnutzen kann.

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Claims (6)

1. Patentansprüche:

   /1·) Einrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes und/oder des Flächengewichtes von Papierbahnen mit mindestens einer Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der einen Seite der Papierbahn (21) ein Spiegel oder ein Spiegeloder Linsensystem (27) befindet, der oder das verschiebbar an einem sich quer über die Papierbahn erstreckenden Balken montiert ist und die Strahlung von der Quelle (22) durch die Papierbahn gegen einen entweder ebenfalls verschiebbar montierten Spiegel oder ein Spiegel- oder Linsensystem (28) auf der anderen Seite des Papiers und weiter gegen einen Detektor (23) lenkt oder gegen einen mit dem ersten Spiegel synchron traversierenden Detektor, und daß die Strahlungsquelle und/oder die Detektoren seitlich der Papierbahn angebracht sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von der Quelle (23) von einem weiteren Spiegel oder einem Spiegel- oder Linsensystem (29) gegen einen zweiten

   geDetektor (24)/lerit wird, dessen Ausgangssignal eine Bezugsgröße für das Ausgangssignal des erstgenannten Detektors (23), und daß die Ausgangssignale beider Detektoren (23, 24) einem Vergleichsglied (30) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt oder das Flächengewicht bildet.

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3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel oder das Spiegel- und Linsensystem je auf einem

   angebracht quer über die Bahn laufenden Balken (25, 26) traversierbar/sind, wobei die Balken so eingespannt und angebracht sind, daß sie sich bei Erwärmung in derselben Richtung biegen»
4. 4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Spiegel bzw. die Spiegel- oder Linsensysteme so angebracht sind, daß sie ganz oder teilweise in den Balken laufen oder daß die Balken und Spiegel in Schutzkästen (31) eingeschlossen sind.
5. 5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (22) aus einer Infrarotlampe oder einer Lampe mit einem Filter für die Passage von Infrastrahlung oder Laser oder einer Lumineszenzdiode besteht.
6. 6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Spiegel mit Reinigungsanordnungen wie Luftblasorganen, isolierenden Bürsten oder hin- und hergehenden Wischern versehen sind.

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