DE3007790C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen der Anisotro­ pie der Orientierungsverteilung des Faseranteils einer laufenden Bahn mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Aus der US-Zeitschrift TAPPI 53, 1970, S. 2314 bis 2319 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die Anisotropie der Orientierungs­ verteilung von Fasern in einem Bahnmaterial, wie z. B. Cellulose, Papier od. dergl. gemessen wird. Dort wird bei ruhendem Bahnma­ terial gemessen.

Die mechanischen Eigenschaften von Materialien, die im wesentlichen aus diskreten Fasern hergestellt sind, wie z. B. Papier oder ein Fasergewebe, werden in hohem Maß durch die Orientierung der einzelnen Fasern im Material bestimmt. Eine anisotrope Orientierung der Fasern führt zu einer entsprechenden Anisotropie der Materialfestigkeit. Die Kenntnis der Faserorientierungsverteilung ist daher u. a. für die Herstellungssteuerung von besonderer Wichtig­ keit. Bei der Herstellung von gewebeähnlichen Materialien aus einem Faserbrei kann der Orientierungsgrad, wie Untersuchungen bei der Papierherstellung gezeigt haben, durch Änderung des sog. Gate-Verhältnisses gesteuert werden, d. h. des Verhältnisses zwischen der Gitter- bzw. Siebgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des aus einem Behälter ausfließenden Breimaterials gesteuert werden.

Es wurden bereits Verfahren zur Bestimmung des Faser­ orientierungsgrades in gewebeähnlichen Materialien vor­ geschlagen. In der Praxis besteht das am meisten übliche Verfahren darin visuell aus Fasern mit einem geringen Anteil an so gemischten gefärbten Fasern hergestellte Proben zu untersuchen. Diese Verfahren sind in den Druckschriften 1 bis 11 des beigefügten Schrifttumver­ zeichnisses erläutert.

Dieses Verfahren hat im wesentlichen zwei Nachteile: Erstens ist es ziemlich zeitraubend eine große Anzahl von Fasern zu zählen, und zweitens kann das Verfahren nur unter Prüfbedingungen durchgeführt werden, da das Produkt mit zugemischten gefärbten Fasern im Handel nicht ver­ wendbar ist. Nicht alle einzelnen Fasern haben eine klare Orientierung und können gebogene oder spiralige Formen haben, so daß die Deutung schwierig ist.

Es wurden auch bereits Röntgenstrahlenbeugungsverfahren angewandt. Die erhaltenen Beugungsmuster sind jedoch oft sehr schwer zu deuten, und es ist daher nicht möglich, solche Verfahren in industriellem Maßstab anzuwenden.

Es ist auch möglich, die Faserorientierung indirekt durch eine Zugfestigkeitsprüfung in verschiedenen Richtungen zu bestimmen, d. h. durch das sog. Null-Spann-Verfahren. Wie die zuvor erwähnten Verfahren ist dieses Verfahren zeitraubend und kann nur bei ausgeschnittenen Proben angewandt werden, so daß eine Steuerung der laufenden Bahn in der Praxis nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Orientierungsver­ teilung von Fasern bei der Herstellung von gewebeähn­ lichem Material zu schaffen, und zwar unabhängig davon, ob bei der Herstellung ein Faserbrei auf einem Gitter bzw. Sieb ausgebreitet wird oder die Ausbreitung mit nachfolgender Vereinigung der Fasern trocken durchge­ führt wird, wie dies bei der Herstellung bestimmter Fasergewebe üblich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht darauf, daß bei der Ablenkung von Strahlung durch eine Struktur wie z. B. ein Gitter eine elektromagnetische Strahlung mit einem größeren Winkel abgelenkt wird, je feiner die Gitterstruktur ist. Eine einzelne Faser kann im Vergleich zur Wellenlänge als unendlich lang angesehen werden, und wenn sie von einer elektromagnetischen Welle getroffen wird, lenkt sie die Strahlung senkrecht zu ihrer eigenen Orientierung ab, während in Längsrichtung der Faser im wesentlichen keine Strahlung abgelenkt wird. Wenn ein gewebeähnliches Material einem Lichtstrahl unterworfen wird, ergibt sich auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtwelle ein Muster, das wenigstens im wesentlichen aus der Summe der abgelenkten Anteile aufgrund aller beleuchteten Fasern besteht. Wenn man dann die sehr kleinen Ablen­ kungswinkel vernachlässigt, wird eine Ablenkungsabbildung in einer Aufnahmeebene erzeugt, die eine Information über die statistische Orientierungsverteilung der Fasern liefert. Wenn die Faserverteilung vollkommen willkürlich ist, ergibt sich ein vollständig symmetrisches Muster, wenn jedoch die Verteilung derart ist, daß weit mehr Fasern in einer bestimmten Richtung (der Maschinenrichtung) orientiert sind, erhält man mehr Strahlung in Richtungen, die senkrecht oder nahezu senkrecht zu dieser Richtung verläuft.

Es ist daher möglich, ein optisches Gerät mit einem Laser auf der einen Seite des untersuchten Materials und einem Detektor auf der anderen Seite herzustellen, wobei die nicht abgelenkte Strahlung auf der anderen Seite eine Symmetrieachse mit der zur Aufnahmeebene senkrechten Achse bildet.

Eine in dieser Weise ausgebildete Vorrichtung kann eine differentielle Bestimmung der abgelenkten Strahlung auf­ grund der Tatsache durchführen, daß wenigstens zwei unterschiedliche lichtempfindliche Bereiche vorhanden sind, wobei die nicht abgelenkte Strahlung nicht berück­ sichtigt wird, die bezüglich der Intensität vorherrscht. Das abgelenkte Licht kann gleichzeitig für zwei Ablenk­ richtungen erfaßt werden, die um die Symmetrieachse dreh­ mäßig versetzt sind, das heißt bezüglich der Laufrichtung der Bahn verschieden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem Laser auf der einen Seite eines Fasermaterials und einem Detektor auf der anderen Seite,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Differentialdetektors, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektronischen Rechenschaltung der Vorrichtung.

Mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird eine durch­ laufende Materialbahn 3 untersucht. Die Bahn 3 läuft über eine Gleitplatte 2 in einer Maschine (nicht gezeigt), in der die Bahn üblicherweise hergestellt wird. Z. B. in einer Papierherstellungsmaschine ist die Vorrichtung un­ mittelbar vor der Stelle angeordnet, an der die fertige Bahn aufgerollt wird. Ein Laser 1 gibt einen kohärenten parallelen Lichtstrahl 12 ab. Es ist wichtig, daß der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist, so daß das emittierte Licht parallel, kohärent und monochromatisch ist. Nachdem der Lichtstrahl die Bahn 3 durchlaufen hat, gelangt er über ein Lichtfilter 5 zusammen mit etwas abgelenktem Licht in eine Kammer 4.Da das Laserlicht monochromatisch ist, kann der Durchlaßbereich des Filters sehr eng ge­ macht werden, so daß die Wirkung von Raumlicht vernach­ lässigbar ist. Das Filter ist vorzugsweise ein Inter­ ferenzfilter. Aus technischen Gründen befindet sich vor dem Filter eine Irisblende (nicht gezeigt).

In einem Abstand von etwa 32 cm innerhalb der Kammer be­ findet sich eine Halterung 6 für einen Fotodetektor 7 und eine Blende 8 in dieser Reihenfolge. Da die Konstruktion des Fotodetektors wichtig ist, wird dieser im einzelnen anhand der Fig. 2 beschrieben.

Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Detektor aus einer runden Scheibe mit einer Öffnung 11 in der Mitte für den nicht abgelenkten Teil des Laserstrahls, so daß dieser durch­ laufen kann. Der restliche Teil der Scheibe ist in zwölf gleiche Kreissektoren 13 unterteilt.

Der Detektor ist im Prinzip eine Fotozelle mit einer Sperrschicht und besteht aus einer Halbleiterscheibe, die bezüglich der zeichnerischen Darstellung auf der Rückseite mit einer leitenden Schicht und auf der Vorder­ seite mit einer transparenten leitenden Schicht versehen ist, die in die Sektoren unterteilt ist. Wenn Licht auf die transparente, leitende Schicht fällt, wird eine elektri­ sche Spannung zwischen der Schicht auf der Rückseite und der leitenden transparenten Schicht erzeugt. Wie Fig. 2 zeigt, gehen von jedem Sektor 13 der leitenden Schicht des Detektors 7 Drähte aus. Die Sektoren sind selbstver­ ständlich gegeneinander isoliert. Bei dem gezeigten Bei­ spiel sind vier der Sektoren paarweise verbunden, während die anderen vier nicht benutzt sind. Jedes der beiden Sektorpaare ist mit einer gesonderten Ausgangsleitung MR und TMR (entsprechend der Maschinenrichtung und der Maschinenquerrichtung) verbunden.

Wie Fig. 1 zeigt, durchläuft der nicht abgelenkte Strahl 12 die mittlere Öffnung 11 des Detektors 7, die Blende 8 und eine zusätzliche Blende 9 und gelangt zu einem Fotodetektor 10, der ein Signal entsprechend dem Anteil des übertragenen Lichts erzeugt.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der zugehörigen elektro­ nischen Baugruppen und der Anzeigeeinrichtung. Die Foto­ ströme der Ausgänge MR und TMR und des Detektors 10 wer­ den einzelnen in IC-Technik hergestellten Differential­ verstärkern 31, 32, 33 zugeführt. Direkte Ausgänge PCX, PCY und PCTRANS dieser Verstärker ergeben Momentanwerte für die differentielle Ablenkung und die Durchlässigkeit der Bahn. Die Ausgangssignale der Verstärker 31 und 32 werden einzelnen Integratoren 34, 35 zugeführt, die mit Abtast/Haltekreisen 37, 38 verbunden sind und von einem Taktgeber 36 gesteuert werden. Es werden somit periodisch Mittelwerte für die differentiell aufgenommenen Ablenkungen gebildet. Das Verhältnis dieser Werte wird von einem ana­ logen Teiler 40 berechnet. Die hier verwendete Schaltung ist derart, daß eines der Signale um den Faktor 10 ge­ dämpft werden muß, weshalb dem einen Eingang des Teilers 40 ein Dämpfungsglied 39 vorgeschaltet ist.

Am Ausgang des analogen Teilers wird ein Ausgangssignal erhalten, das der sog. Orientierungsindex ist. Unter der Steuerung des Taktgebers 36 werden der Orientierungs­ index und der Durchlässigkeitswert zu Anzeigeeinheiten übertragen.

Für Prüfzwecke können die erhaltenen Signale zur Steuerung z. B. des Gate-Verhältnisses in einer Papierherstellungs­ maschine verwendet werden.

Bei der gezeigten Ausführungsform hat der Differential­ detektor 7 einen Durchmesser von 50 mm. Der Laser ist einige Zentimeter unter der duchlaufenden Bahn angeordnet, und der Abstand zwischen dem Detektor 7 und der Bahn beträgt 449 mm. Die Öffnung im Detektor hat einen Durchmesser von 5 mm, was bedeutet, daß der Erfassungswinkelbereich etwa 0,3 bis 3° beträgt. Die Anzahl der Sektoren ist 12, so daß jeder Sektor etwa 30° erfaßt, berechnet senkrecht zum Laserstrahl. Das Interferenzfilter ist etwa 380 mm vom Detektor angeordnet.

Die gesamte Vorrichtung ist in einem Zylinder mit einer Länge von 60 cm und einem Durchmesser von 50 cm angeordnet.

Durch Ermittlung des direkt übertragenen Lichts ist es möglich, das Oberflächengewicht der Bahn zu messen, da die Lichtdämpfung durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

I/I_o=e^-at

wobei I die Intensität des durch die Absorption gedämpften Lichts, I_o die Intensität ohne absorbierendes Material, t das Gewicht pro Flächeneinheit und a eine von der Licht­ wellenlänge und dem Material abhängige Konstante ist.

Wie zuvor erwähnt, hängt der Orientierungsindex von der Verteilung der Fasern im Material ab. Der benutzte Ab­ lenkungswinkelbereich von 0,3 bis 3° hat sich als für Papierfasern geeignet erwiesen, kann jedoch unterschied­ lichen Materialien angepaßt werden. Sehr dünne Fasern erzeugen größere Ablenkungswinkel und dickere Fasern kleinere. Für bestimmte Anwendungsfälle, bei denen Partikeln im Material vorhanden sind, die das Licht ab­ lenken, können die erfaßten Ablenkungswinkel angepaßt werden, wenn man die Ablenkeigenschaften der Partikeln so berücksichtigt, daß die Ablenkung der Fasern vor­ herrschend ist.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Prüfen der Anisotropie der Orientierungs­ verteilung des Faseranteiles einer laufenden Bahn mit einem Laser (1), der die laufende Bahn (3) senkrecht durchstrahlt, und mit einem Detektor (7), der außerhalb des direkt transmittierten Strahles (12) das von dem Bahnmaterial abgelenkte Licht winkel­ abhängig erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß photoelektrische Detektoren (13) die abgelenkte Strahlung unter mindestens zwei Winkeln erfassen, die bezüglich der Laufrichtung der Bahn (3) verschieden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Detektoren (13) Kreis-Sektorfelder sind, die jeweils einen Winkelbereich zwischen 30 und 45° erfassen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektri­ schen Detektoren mittig eine Öffnung (11) aufweisen, durch die der direkt transmittierte, nicht abgelenkte Strahl (12) auf einen weiteren Detektor (10) trifft.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ausgänge paarweise, diametral gegenüberliegender Detektorfelder mit einer Recheneinheit (40) verbunden sind, die das Verhältnis zwischen den Intensitäten der abgelenkten Strahlung in wenig­ stens zwei Ablenkungsebenen bestimmt, die senkrecht zueinander stehen.