DE3787227T2

DE3787227T2 - Sensor zur Ermittlung der Stärke bandförmiger Materialien.

Info

Publication number: DE3787227T2
Application number: DE87306253T
Authority: DE
Inventors: Leonard M Anderson; John Douglas Goss; Paul Joseph Houghton
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2007-07-16
Also published as: EP0541518B1; EP0253644A3; EP0253644B1; EP0541518A3; KR930007319B1; EP0541518A2; JP2735547B2; DE3787227D1; JPS63106556A; DE3751473D1; FI92108C; FI873167A0; FI873167A; KR880002006A; EP0253644A2; IE940431L; DE3751473T2; FI92108B

Description

Zu den entscheidenden, sowohl vom Hersteller- als auch vom Benutzerstandpunkt aus wichtigen Eigenschaften von Papier und anderen bogenartigen Materialien zählt Festigkeit. In der Vergangenheit sind viele verschiedene Verfahren zum Messen von Festigkeit vorgeschlagen worden, jedoch leiden nahezu alle unter einem großen Nachteil, nämlich dem, daß die Tests zerstörend sind und nicht "on-line" verwendet werden können. Es sind eine Anzahl standardisierter Tests entwickelt worden, um eine Basis für Spezifikationen bereitzustellen, mit denen Papier gekauft und verkauft werden kann, und diese Tests stellen willkürliche, aber nichtsdestotrotz nützliche Festigkeitskennzahlen zum Vergleichen der Festigkeit verschiedener Papiere bereit. Leider sind sie alle zerstörend und keiner kann "on-line" eingesetzt werden.
Zwei Probleme, die die "On-line"-Messung von Festigkeit schwierig machen, entstehen daraus, daß die Festigkeit von Papier über die Breite des Bogens, der hergestellt wird, variiert und auch in der Maschinenrichtung eine andere ist als in der Querrichtung des Bogens. Da die Papierherstellung ein kontinuierlicher Prozeß mit hoher Geschwindigkeit ist, können leicht große Mengen Papier produziert werden, bevor die Festigkeit mittels einer späteren Messung bestätigt werden kann.
Festigkeitsspezifikationen für Papier werden gewöhnlich anhand eines empirischen Zerstörungstests gegeben, wobei unter diesen ein standardisierter Zugtest, der sogenannte "STFI"- Drucktest, und der "Berstdruck-" bzw. "Mullen"-Test besonders verbreitet sind.
Beim Standard-Zugtest wird ein Streifen Papier zwischen zwei Klemmen gehalten und mit einer vorgegebenen Rate mit einer Zugspannung belastet. Die Belastungsgrenze wird als ein Maß für die Zugfestigkeit des Papiers angesehen. Es gibt eine Anzahl standardisierter Vorgehensweisen, die zum Ausführen dieses Tests übernommen worden sind, wie zum Beispiel TAPPI Standard T404os-76 und ASTM Standard D828.
Der "STFI"-Drucktest für schwere Papiersorten ist ein standardisierter Test, dessen Vorgehensweise durch das Swedish Technical Forest Institute [das Schwedische Waldtechnikinstitut] festgelegt worden ist, wie durch die Identifizierungen in Scan, S.64, Spalte 83 angegeben. Bei diesem Test wird ein Streifen des zu testenden Papiers zwischen einem Paar Klemmen gehalten, die zusammen mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt werden, während die Druckkraft überwacht wird. "Bruch" findet statt, wenn die Druckkraft einen Spitzenwert überschreitet und zu fallen beginnt. Die Kraft zum Zeitpunkt des "Bruchs" wird als die Druckfestigkeit des Papiers angesehen. Andere Standardspezifikationen für diesen Test sind z. B. TAPPI 7818os-76 und ASTM D1164.
Die Festigkeiten von Papieren, wie sie mittels der vorgenannten Tests gemessen werden, weisen typischerweise verschiedene Werte auf, je nachdem, ob der Teststreifen in Maschinenrichtung oder in Querrichtung geschnitten ist.
Ein "Mullen"- bzw. Berstdrucktest wird ausgeführt, indem eine Probe des Papiers zwischen zwei kreisförmige Klemmringe mit einem spezifischen Standard-Innendurchmesser geklemmt wird und auf der einen Seite des Papiers Druck aufgebaut wird, bis das Papier birst (unter Verwendung einer Gummimembran und von Flüssigkeitsdruck). Der zum Bersten des Papiers erforderliche Druck ist als der "Berstdruck" bekannt, und diese Zahl wird häufig dazu verwendet, die benötigte Festigkeit anzugeben. TAPPI 403os-76 und ASTM D774 sind gängige Berstdruck- Spezifikationen.
Es ist offensichtlich, daß sich keiner dieser Tests dafür eignet, in Verbindung mit der kontinuierlichen Messung von Papierfestigkeit verwendet zu werden. Aufgrund ihrer verbreiteten Popularität ist es jedoch wünschenswert, daß jedes Verfahren zur Messung der Festigkeit von Papier Ergebnisse liefert, die mit einem der anerkannten Standardtests korreliert sind.
EP-A-0 200 650 (Priorität 02.05.85; Veroffentlichung 10.12.86) offenbart ein System und ein Verfahren zum kontinuierlichen Messen der Festigkeit eines sich bewegenden Bogens eines Materials, z. B. Papier. Das System umfaßt einen kreisförmigen Ring, über dessen Öffnung ein frei drehbares Rad vorgesehen ist, das an einem Träger gehalten ist, welcher eine senkrechte Bewegung des Rads ermöglicht. Dem Rad ist eine Meßdose zugeordnet, um ein Maß für die aufwärts gerichtete Kraft bereitzustellen, die auf das Rad ausgeübt wird. Dem Rad ist ein Drehzahlmesser zugeordnet, und ferner ist ein Rechner zum Empfangen und Verarbeiten von Signalen von der Meßdose und vom Drehzahlmesser vorgesehen.
Bei Betrieb bewegt sich ein Bogen eines Materials über den damit in Kontakt stehenden Ring. Das Rad lenkt den sich bewegenden Bogen um eine feste Strecke in die Öffnung des Rings hinein ab. Zunahmen und Abnahmen der Zugspannung und des Elastizitätsmoduls (d. h. des Verhältnisses von Belastung zu Verformung im Bogen), übermitteln veränderliche Kräfte an die Meßdose. Signale von der Meßdose werden an den Rechner geleitet, wie auch Signale vom Drehzahlmesser, entsprechend der Drehung des Rads und der Geschwindigkeit des Bogens. Der Rechner nutzt die Daten dafür, die Festigkeit des Bogens gemäß Gleichungen zu bestimmen, wie sie in EP-A-0 200 650 dargestellt sind.
EP-A-0 200 650 schlägt lediglich die Verwendung eines massiven Rings (d. h. eines Rings mit ununterbrochener Umfangsfläche) vor, was keine getrennte Bestimmung von Zugbzw. Druckfestigkeiten in Maschinen- und in Querrichtung (die verschieden sein können) erlaubt.
Die Hauptfaktoren, die einen Einfluß auf die Festigkeit von Papier haben, z. B. Flächenmasse und Dicke des Papiers, beeinflussen auch den Elastizitätsmodul und die Biegesteifigkeit des Bogens. Wir haben herausgefunden, daß diese letzteren Faktoren bei einem unter Zugspannung befindlichen Bogen auf eine solche Weise wahrgenommen werden können, daß die tatsächliche Festigkeit eines Bogens mittels Berechnungen aus der Sensorausgabe ermittelt werden kann. Die bevorzugte Form des verwendeten Festigkeitssensors nimmt eine Eigenschaft des Papiers wahr, die im folgenden als "Elastizitätsmodul" bezeichnet wird, da die Eigenschaft mit dem Modul in Beziehung steht, jedoch nicht tatsächlich ein Maß für den Elastizitätsmodul des Bogens selbst ist. Der Begriff "Elastizitätsmodul" wird in Anführungszeichen gesetzt, um anzuzeigen, daß die Funktion, wenn sie auch mit dem Elastizitätsmodul in Beziehung steht, in Wirklichkeit ein empirisch hergeleiteter Faktor ist, der auch von anderen Eigenschaften, wie z. B. der Biegesteifigkeit, abhängt. Bei einer jeden Anordnung zur Papierherstellung wird mit einer Änderung der Geschwindigkeit der Bahn auch die Festigkeit des sich ergebenden Produktes beeinflußt.
Es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, den Elastizitätsmodul direkt an einer sich bewegenden Bahn aus Papier oder einem anderen bogenartigen Material zu messen. Die vorliegende Anmeldung beschreibt jedoch einen Sensor, der eine physikalische Eigenschaft des Bogens wahrnehmen kann, die mit dem Elastizitätsmodul in Beziehung steht, und der eine Ausgabe bereitstellen kann, die, wenn sie zusammen mit den anderen Faktoren - wie z. B. einem oder mehreren der folgenden: Flächenmasse des Bogens, Dicke, Bogenspannung und Geschwindigkeit - herangezogen wird, dazu verwendet werden kann, die Festigkeit des Bogens kontinuierlich und auf zerstörungsfreie Weise zu bestimmen. Dieser Sensor kann eine Messung bereitstellen, die es erlaubt, eine Bestimmung der Festigkeit vorzunehmen, die gut mit dem populären "Mullen"- Test korreliert ist. In der vorliegenden Anmeldung wird ein Sensor beschrieben, der es nicht nur erlaubt, eine Mullen- Bestimmung vorzunehmen, sondern der auch eine getrennte Bestimmung der Zug- und Druckfestigkeiten in Maschinen- und Querrichtung erlaubt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zum Wahrnehmen auf zerstörungsfreie Weise einer physikalischen, mit der Festigkeit eines sich bewegenden Bogens eines Materials, z. B. Papier, zusammenhängenden Eigenschaft vorgesehen, welcher folgendes umfaßt:
a) eine Mehrzahl an Kontakteinrichtungen zum Stützen einer Seite eines sich bewegenden Bogens gegen eine ablenkende Kraft, wobei die Kontakteinrichtungen um einen ungestützten Bereich herum angeordnet sind, in den hinein der Bogen abgelenkt werden kann.
b) eine Ablenkungseinrichtung zum Ablenken auf zerstörungsfreie Weise des sich bewegenden Bogens in den ungestützten Bereich hinein, so daß der Bogen gegen die Kontakteinrichtungen drückt.
c) eine betriebsmäßig einer ersten Kontakteinrichtung zugeordnete Kraftmeßeinrichtung zum Wahrnehmen der Kraft des Bogens gegen die erste Kontakteinrichtung und zum Erzeugen einer Ausgabe, die die Kraft des Bogens gegen die erste Kontakteinrichtung anzeigt; und
d) eine betriebsmäßig der Kraftmeßeinrichtung zugeordnete Recheneinrichtung zum Errechnen der physikalischen Eigenschaft des Bogenmaterials auf der Basis von zumindest der Ausgabe der Kraftmeßeinrichtung.
Bevorzugt gibt es vier der genannten Kontakteinrichtungen, die zusammen einen Ring definieren, wobei die Kontakteinrichtungen jeweils etwa 90 Grad des Ringkreises einnehmen. Jedes Segment wird bevorzugt von einem Paar Blattfedern gestützt und ist einer Wahrnehmungseinrichtung (wie zum Beispiel einer Meßdose) zugeordnet, so daß die Ablenkungseinrichtung (z. B. ein freilaufendes Rad), die in der Mitte des Rings auf den Bogen wirkt, den Bogen ablenkt und zu einer Ausgabe von jeder der vier Meßdosen führt, wobei die Ausgabegröße teilweise von Eigenschaften des Bogens abhängt. Die vier Segmente sind bevorzugt so ausgerichtet, daß zwei die Eigenschaften des Bogens in Maschinenrichtung und zwei die Eigenschaften in Querrichtung wahrnehmen können.
In der bevorzugten Ausführungsform nimmt der Rechner die Ausgaben jeder der Meßdosen an und kann auch die Ausgaben von einem oder mehreren anderen Sensoren annehmen, die Flächenmasse, Bogendicke, Geschwindigkeit, Zugspannung und bestimmte Korrekturfaktoren wahrnehmen. Der Rechner berechnet die Festigkeit des Bogens unter Verwendung dieser Signale, z. B. gemäß der später beschriebenen empirischen Gleichungen.
Es sollte sich von selbst verstehen, daß hierin zwar Bezug auf einen bestimmten standardisierten Test genommen wird, dieser Bezug aber lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen ist. Die vorliegende Erfindung kann dazu benutzt werden, Bestimmungen bereitzustellen, die mit einer großen Vielfalt standardisierter Zug-, Druck- und Berstdrucktests korreliert sind. Alternativ kann die vorliegende Erfindung dafür genutzt werden, eine willkürliche Festigkeitsskala bereitzustellen, die Festigkeitsvergleiche zwischen Produkten unabhängig von bestehenden standardisierten Systemen erlaubt.
Die Erfindung wird lediglich beispielhaft anhand der beiligenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Wahrnehmungsteils der erfundenen Vorrichtung, wie es in einer Maschine zur Papierherstellung installiert ist;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Sensors im Teilschnitt zum Wahrnehmen des "Elastizitätsmoduls" des Papiers;
Fig. 3 eine Draufsicht von oben auf denjenigen Teil des unteren Meßinstrumentstützgliedes, der sich im Bereich des Wahrnehmungsrings befindet;
Fig. 4 eine bruchstückartige Querschnittsansicht des Wahrnehmungsrads;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des elektronischen Teils der Erfindung; und
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer Einrichtung zum Bereitstellen eines auf die Bahnzugspannung ansprechenden Signals.
Papier und andere bogenartige Materialien werden üblicherweise von Hochgeschwindigkeitsmaschinen in Form eines kontinuierlichen Bogens hergestellt, der häufig mehrere hundert Meter lang ist. Das Verfahren zur Papierherstellung beinhaltet das Legen einer nassen Masse Holzstoff auf ein sich bewegendes Drahtgewebeband, das Trocknen der Masse und schließlich das Kalandrieren des Bogens, um ihn mit dem gewünschten Oberflächenfinish zu versehen. Die vorliegende Erfindung wird am vorteilhaftesten für die Überwachung der Festigkeit des Papiers nach dem abschließenden Kalandriervorgang und bevor das Papier auf die letzte Rolle aufgewickelt wird verwendet. Ein Aufziehmotor hält eine konstante Spannung im Bogen zwischen der Kalandrier- und der Umwickelrolle aufrecht. Da die Festigkeit des hergestellten Papiers nicht nur längs des Bogens sondern auch quer über den Bogen variieren kann, beinhaltet die vorliegende Erfindung bevorzugt die Verwendung eines Abtastsystems, wodurch die Sensoren die Breite des Papiers abtasten, während das Papier aus dem Kalandrier- und in das Umwickelsystem gespeist wird. Auf diese Weise kann nicht nur die Festigkeit des Papiers in jedem Abschnitt entlang seiner Länge ermittelt werden, sondern es können auch die Schwankungen in der Festigkeit von Seite zu Seite ermittelt werden.
Fig. 1 zeigt eine Abtaststelle 10, die sich, wie oben bemerkt, vorzugsweise hinter den letzten Kalandrierrollen und vor dem Umwickelsystem befindet. Es ist eine zwischen zwei Querbalken 21 und 22, an denen obere und untere Meßinstrument- Stützglieder 23 und 24 befestigt sind, durch die Abtaststelle 10 passierende Papierbahn 11 sichtbar. In Fig. 1 ist eine Papierbahn 11 mit einem ausgeschnittenen Bereich gezeigt, so daß die Beziehung zwischen den Meßinstrument-Stützgliedern sichtbar wird. Ein Motor innerhalb der Abtaststelle ist mit den Meßinstrument-Stützgliedern 23, 24 gekoppelt und treibt diese in einer kontinuierlichen Abtastbewegung hin und her quer über die Breite des Papiers, wobei er sie ständig in ausgerichteter Lage hält.
Die Meßinstrument-Stützglieder können vier oder mehr Sensorsätze tragen, um Daten bereitzustellen, die zur Berechnung von Papierfestigkeit verwendet werden können. Flächenmasse, Dicke, "Elastizitätsmodul" und die Geschwindigkeit der Bahn sind vier Faktoren, die verwendet werden können. Einrichtungen zur Bestimmung von Flächenmasse, Dicke, und Papiergeschwindigkeit sind alle nach dem Stand der Technik bekannt und werden daher hierin nicht gesondert in den Zeichnungen gezeigt bzw. einzeln besprochen. Dicke und Papiergeschwindigkeit können relativ einfach gemessen werden, und viele Verfahren sind nach dem Stand der Technik bekannt. Bei der Flächenmasse ist die Lage komplizierter, aber im an Bossen et al. vergebenen US-Patent Nr. 3.757.122 wird ein geeignetes Verfahren offenbart.
Der vierte Sensor stellt Daten bereit, die in Beziehung mit dem "Elastizitätsmodul" des Papiers stehen. In Fig. 2 wird ein solcher "Elastizitätsmodul"-Sensor gezeigt, der dafür verwendet wird, eine physikalische Eigenschaft des Bogens zu erfassen, die mit der Bogen- bzw. Papierfestigkeit korreliert sein kann. Bei den speziellen Ausführungsformen des gezeigten Sensors kann die Eigenschaft dadurch wahrgenommen werden, daß diejenige Kraft erfaßt wird, die zur Ablenkung des Bogens um einen vorgegebenen Betrag erforderlich ist, oder dadurch, daß die Ablenkung des Bogens erfaßt wird, wenn er einer vorgegebenen Kraft ausgesetzt wird.
Der "Elastizitätsmodul"-Sensor wird an Meßinstrumentstützen 23, 24 getragen. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht dieses Sensors im Teilschnitt. Die untere Meßinstrumentstütze 24 stützt einen segmentierten horizontalen Ring 26A-26D, dessen obere Oberfläche vorzugsweise gemäß der Papierbahn 11 ausgerichtet ist. Zwar bildet ein Ring, wie z. B. Ring 16, die bevorzugte Stützmethode, jedoch konnten auch andere Formen von Kontaktaufbauten verwendet werden, die in der Nähe eines mittleren ungestützten Bereichs mit dem Papier Kontakt aufnehmen.
Die obere Meßinstrumentstütze 23 trägt eine erste Einrichtung, wie zum Beispiel die Druckradeinheit, die den Träger 31 und das Rad 29 umfaßt. Der Stift 32 gibt dem Rad die Freiheit, sich auf und ab zu bewegen, während nicht gezeigte Lager an der Achse 30 ermöglichen, daß sich das Rad frei dreht. Die Auf-und-ab-Bewegung des Rads 29 wird vom Luftzylinder 33 gesteuert. In seiner ausgefahrenen Stellung positioniert der Luftzylinder 33 den unteren Teil der Umfangsfläche des Rads 29 in einer festen Entfernung unter der oberen Oberfläche des Rings 26, und der Bogen und der Ring 26 stehen in einer zusammenwirkenden Beziehung. Um ein Beispiel, nicht eine Einschränkung, zu geben: Wenn die Durchmesser des Rads 29 und des Rings 26 jeweils etwa 7,5 cm (5 Inch) betragen, kann sich eine zufriedenstellende Lage für den untersten Punkt am Rad 29 bei 0,6 cm (1/4 inch) unter der oberen Oberfläche des Rings 26 befinden. Es ist auch möglich, die Teile, wie in Fig. 2 gezeigt, zu vertauschen, so daß sich der Ring 26 über dem Bogen und das Rad 29 sich unter dem Bogen befindet. In einer vorliegenden Ausführung der Erfindung sind die Teile auf eine solche Weise angeordnet.
Die Umfangsfläche des Rads 29 ist vorzugsweise nicht zylinderförmig, sondern ist vielmehr vorzugsweise etwa kugelförmig. Das heißt, der Radius R wie in Fig. 4 gezeigt ist vorzugsweise etwa gleich der Hälfte des Raddurchmessers. Ein Einfahren des Luftzylinders 33 bewegt das Rad 29 aus dem Weg, so daß eine Papierbahn 11 nach der anfänglichen Einstellung leicht durch die Abtaststelle hindurch zugeführt werden kann. Während des Betriebs ist der Luftzylinder 33 ausgefahren und der Bogen wird so beaufschlagt, daß er sich im Festigkeitssensor von einem normalen Weg zu einem abgelenkten Weg bewegt.
Für Fachleute versteht es sich von selbst, daß zwar hierin zum Zwecke des Ablenkens des Papiers unter die obere Oberfläche des Rings 26 ein frei laufendes Rad offenbart wird, daß zur Erfüllung derselben Funktion jedoch auch andere Aufbauten genutzt werden können.
Fig. 3 ist eine Draufsicht von oben auf denjenigen Teil des unteren Meßinstrumentgliedes, der den segmentierten Ring 26 stützt. Anhand der Fig. 2 und 3 ist zu sehen, daß sich der Ring 26 aus vier Segmenten 26A-26D zusammensetzt, die jeweils von einem Paar beabstandeter Blattfedern 27 und 28 gestützt werden. Die Blattfedern 27, 28 zwingen die Segmente 26A-26D dazu, sich senkrecht in einer geraden Linie zu bewegen. Verbindungsstifte 40 koppeln jedes Segment mit Meßdosen 41A-41D, welche Ausgaben bereitstellen, die eine Funktion der Kraft des Papiers auf die Ringsegmente sind. Die auf jedes der Segmente 26 ausgeübte Kraft ist eine Funktion mehrerer Faktoren einschließlich der Zugspannung auf den Bogen, des Elastizitätsmoduls des Papiers, der Biegesteifigkeit des Papiers und der physischen Abmessungen der Meßteile. Der Elastizitätsmodul und die Biegesteifigkeit des Papiers können in der Maschinenrichtung anders als in der Querrichtung sein, so daß die auf die Meßdosen 41A und 41C ausgeübte Kraft nicht unbedingt die gleiche wie die auf die Meßdosen 41B und 41D ausgeübte Kraft ist. Der Unterschied in der Zugspannung zwischen der Maschinenrichtung und der Querrichtung führt ebenfalls zu einem Unterschied in der Kraft.
Wir haben herausgefunden, daß es eine Korrelation zwischen der auf die Meßdosen 41A und C ausgeübten Kraft und der Festigkeit des Papiers in Maschinenrichtung und ferner eine Korrelation zwischen der auf die Meßdosen 41B und D ausgeübten Kraft und der Festigkeit des Papiers in Querrichtung gibt.
Um eine Festigkeitsbestimmung vorzunehmen, werden die Ausgaben der Wandler 41A-D einem Rechner 50 (Fig. 5) zugeführt, der auch von den anderen oben erwähnten Sensoren Signale empfangen kann. Der Rechner 50 stellt mittels wiederholter Berechnungen kontinuierliche Bestimmungen der Festigkeit des Papiers bereit, während es hergestellt wird. Es sind empirische Gleichungen entwickelt worden, die gut mit Standard-Festigkeitstests in Maschinenrichtung und in Querrichtung wie auch mit dem richtungsunabhängigen Standard- Berstdruck- bzw. "Mullen"-Test korrelieren.
Die Genauigkeit der entwickelten grundlegenden Gleichungen hangt von der Aufrechterhaltung der Ausrichtung der oberen Oberfläche des Rings 26 in einer Ebene mit der Papierbahn 11 ab, während diese in die bzw. aus der Abtaststelle 10 zu- bzw. abgeführt wird. Wenn die ankommende Bahn 11 höher oder tiefer ist als die obere Oberfläche des Rings 26, muß eine Korrektur der grundlegenden Gleichung vorgenommen werden, um zu einer genauen Bestimmung der Papierfestigkeit zu gelangen. Wir haben herausgefunden, daß eine zufriedenstellende Korrektur dadurch vorgenommen werden kann, daß ein additiver Faktor eingesetzt wird, der eine Funktion der Differenz der auf die Wandler 41A und 41C ausgeübten Kräfte ist.
Vollständige empirische Gleichungen zur Bestimmung richtungsabhängiger Papierfestigkeiten lauten wie folgt:
wobei
Smd die Festigkeit des Papiers in Maschinenrichtung ist;
Scd die Festigkeit des Papiers in Querrichtung ist;
A, B, C, D, E, F, G und H Konstanten sind;
La bis Ld auf die Wandler 41A bis 41D ausgeübte Momentankräfte sind;
bis die durchschnittlich auf die Wandler 41A bis 41D quer über die Breite des Papiers ausgeübten Kräfte sind;
W die Flächenmasse des Papiers ist;
T die Dicke des Papiers ist; und
V die Geschwindigkeit des den Kalander verlassenden Papiers ist.
Es hat sich gezeigt, daß die obenstehenden Gleichungen sowohl mit dem Standard-Zugtest als auch mit dem Standard- STFI-Test für Papierfestigkeit, beides verbreitet eingesetzte Tests, gut korreliert sind. Die Konstanten A bis H variieren in Abhängigkeit davon, welcher Test simuliert wird. Der letzte additive Faktor in den obenstehenden Gleichungen stellt jeweils die Korrektur für eine Bahnfehlausrichtung dar.
Eine Modifizierung der Gleichungen (1) und (2) macht es möglich, das System für eine Bestimmung der "Mullen"- Festigkeit des Papiers zu verwenden:
wobei
Smu die "Mullen"-Festigkeit ist.
Alle anderen Faktoren sind die gleichen wie in den Gleichungen (1) und (2).
Es hat sich gezeigt, daß die obenstehenden Gleichungen für eine große Vielfalt von zur Zeit hergestellten Papiersorten angewandt werden können. Die Konstanten A, B, C, D, E und F variieren etwas in Abhängigkeit davon, welche besondere Papiersorte gerade hergestellt und welcher Test simuliert wird, liegen aber im allgemeinen innerhalb der folgenden Bereiche (wobei die Flächenmasse in Gramm pro Quadratmeter, die Dicke in Mikrometern und die Geschwindigkeit in Metern pro Minute angegeben ist):
A zwischen 20 und 22
B zwischen 0,0008 und 26
c zwischen 0 und 26,6
D zwischen 0,5 und 5
E zwischen 1 und 2
F zwischen -1 und +1
Im angloamerikanischen Einheitensystem sind die Werte für die Konstanten A-F wie unten dargelegt (wobei die Flächenmasse in lb pro 1000 Quadratfuß, die Dicke in Milli-Inch und die Geschwindigkeit in Fuß pro Minute angegeben ist):
A zwischen 20 und 22
B zwischen 0,5 und 5
c zwischen 0 und 0,07
D zwischen 0,5 und 5
E zwischen 1 und 2
F zwischen -1 und +1
Die Konstanten G und H müssen empirisch ermittelt werden, da sie stark vom spezifischen Aufbau abhängen.
Es sei bemerkt, daß die Terme der obenstehenden Gleichungen mit La bis Ld die Gestalt eines Quotienten mit bis aufweisen. Das zeigt an, daß der "Elastizitätsmodul" in erster Linie ein Indikator dafür ist, wie die Festigkeit quer über die Breite des Papiers variiert, während die durchschnittliche Festigkeit in erster Linie als eine Funktion der Flächenmasse, der Dicke und der Bahngeschwindigkeit festgelegt ist.
Maschinenstarrheit ist ein wichtiger Faktor bei der Aufrechterhaltung der Meßgenauigkeit. Insbesondere ist es wichtig, daß der tiefste Punkt auf der Umfangsfläche des Rads 29 in einer konstanten Entfernung unter der oberen Oberfläche des Rings 26 gehalten wird. Wenn die mechanische Starrheit des Aufbaus eine solche ist, daß die Beabstandung nicht aufrechterhalten werden kann, können Wahrnehmungseinrichtungen leicht dafür eingerichtet werden, die relativen Stellungen des Rads 29 und des Rings 26 wahrzunehmen und die Festigkeitsgleichung mit einer Korrektur zu versehen, um Schwankungen zu berücksichtigen. Ein üblicher Sensor für diesen Zweck ist schematisch in Fig. 2 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 39 versehen. Die Ausgabe des Verlagerungssensors 39, die mit "Z" bezeichnet ist, stellt ein Signal bereit, das von der Abweichung der relativen Stellungen des Rads 29 und des Rings 26 von ihrer Sollstellung abhängt und dafür verwendet werden kann, die Festigkeitsgleichung zu modifizieren. Bei Verwendung zum Beispiel von Gleichung (1) würde der erste Term der Gleichung so lauten:
wobei f(Z) eine empirische Funktion der Ausgabe des Sensors 39 ist.
Wir haben auch herausgefunden, daß es durch eine geeignete Kombination der Ausgaben der Meßdosen 41A-41D möglich ist, eine Bestimmung vorzunehmen, und zwar on-line, die mit großer Genauigkeit mit dem Standard-"Mullen"-Test korreliert ist. Um eine solche Bestimmung vorzunehmen, werden die Ausgaben der Meßdosen 41A-41D sowie die Ausgabe des Verlagerungssensors 39 (Z) einem Rechner 50 zugeführt. Der Rechner 50 berechnet die "Mullen"-Festigkeit. Die zur Zeit bevorzugte Gleichung, die zur Bestimmung von Festigkeit eingesetzt werden kann, lautet:
wobei Smu die "Mullen"-Festigkeit des Papiers ist;
A, B, C, D, E, F, G, H und J Konstanten sind;
La, Lb, Lc und Ld die Ausgabesignale von den jeweiligen Meßsensoren 41A bis 41D sind;
Te eine Zahl ist, die die Zugspannung in der Bahn darstellt;
und
Z die Ausgabe des Verlagerungssensors 39 ist.
Wenn die Meßinstrument-Stützglieder mit ausreichender Starrheit gehalten werden, so daß die Relativbewegung zwischen den Gliedern 23 und 24 hinreichend klein ist, dann wird der Sensor 39 nicht benötigt und die Terme C + Z und D + Z können durch Konstanten ersetzt werden. Ebenso können die Terme Te + F und Te + G durch Konstanten ersetzt werden, wenn die Zugspannung in der Bahn nicht in bedeutender Weise schwankt. Wenn also in einer bestimmten Anlage die Schwankungen aufgrund eines Mangels an Starrheit und die Zugspannungsschwankungen hinreichend gering sind, dann könnte Gleichung (4) die folgende Gestalt haben:
Die Werte für die Konstanten in den Gleichungen (4) und (4a) hangen natürlich von der spezifischen Anlage und den Umständen ab. Sie werden empirisch ermittelt und werden im allgemeinen bei Verwendung in Gleichung (4) anders sein als bei Verwendung in Gleichung (4a). Die Verwendung der Exponenten H und J soll nicht auf einen unbedingt von 1 verschiedenen Wert hinweisen. In einigen Fällen können, je nach der Anlage und den Umständen, einer oder beide dieser Exponenten 1 sein. Ferner mögen sich die Konstanten nur dann als tatsächlich konstant (innerhalb der gewünschten Meßgenaugigkeit) erweisen, wenn die Verfahrensschwankungen relativ klein sind, d. h. wenn sie innerhalb der normalerweise während der Herstellung eines einzigen Papiergütegrades auftretenden Bereiche liegen. Ungewöhnlich große Schwankungen einer oder mehrerer der Verfahrensvariabeln können es erforderlich machen, daß eine oder mehrere der "Konstanten" der Gleichungen angepaßt werden, um die Schwankung zu berücksichtigen.
Nach dem Stand der Technik sind eine Reihe von Möglichkeiten bekannt, um den Rechner 50 mit einem Signal zu versehen, welches eine Funktion der Zugspannung in der Bahn ist. Ein solches System wird schematisch in Fig. 6 gezeigt. Wie gezeigt, wird die Bahn 11 um die drei Rollen 45, 46 und 47 gewunden. Die Rollen 45 und 46 sind relativ zur Papierherstellungsmaschine ortsfest, und die Rolle 47 wird durch den Kraftaufnehmer 48 daran gehindert, sich in einer senkrechten Richtung zu bewegen. Die Ausgabe des Kraftaufnehmers 48 ist eine Funktion der Zugspannung der Bahn 11 und kann dafür verwendet werden, die Größe Te bereitzustellen.
Zwar ergeben die obigen Gleichungen, wie bemerkt, Festigkeitswerte, die mit der "Mullen"-Festigkeit korreliert sind, jedoch wird es für Fachleute offensichtlich sein, daß es möglich ist, unter Verwendung der Ausgaben der Festigkeitssensoren in Verbindung mit anderen Gleichungen andere Zahlen zu erhalten, die ebenfalls Festigkeit darstellen, wenn solche anderen Zahlen auch nicht mit "Mullen" korreliert sein mögen.
Wenn zum Beispiel eine Bestimmung der Zugfestigkeit in Maschinenrichtung und/oder in Querrichtung gewünscht ist, könnten Gleichungen der folgenden Gestalt verwendet werden:
wobei Smd und Scd die Zugfestigkeiten in Maschinenrichtung bzw. in Querrichtung sind; und
die anderen Terme wie oben definiert sind.
Durch eine geeignete Wahl der Konstanten können die Gleichungen (5) und (6) Bestimmungen bereitstellen, die gut mit Standard-Zugtests korreliert sind. Zwar werden in den Gleichungen 4, 4a, 5 und 6 zur Darstellung von Konstanten die gleichen Buchstaben (A, B, C etc.) verwendet, es sollte jedoch nicht angenommen werden, daß die in diesen Gleichungen verwendeten Konstanten unbedingt die gleichen Werte haben. Wie oben bemerkt, hängen die tatsächlichen Werte der Konstanten von der spezifischen Anlage und den spezifischen Umständen ab. Die obenstehenden Bemerkungen zur Modifizierung von Gleichung (4) auf Grund der Auswirkungen von Starrheit und Zugspannung treffen auch auf die Gleichungen (5) und (6) zu, und wenn die Schwankungen der Starrheit und/oder der Zugspannung hinreichend klein sind, können ähnliche vereinfachte Gleichungen verwendet werden. Das heißt, die Terme im Nenner des ersten Terms der Gleichungen können durch eine Konstante ersetzt werden.
Es wurde ein Sensor offenbart, der die Festigkeit eines Bogens eines Materials, wie zum Beispiel Papier, bestimmt und der nichtzerstörend ist und "on-line" eingesetzt werden kann, um sicherzustellen, daß das Papier bzw. das sonstige bogenartige Material, das hergestellt wird, die erforderlichen Festigkeitsspezifikationen erfüllt. Fachleuten werden zweifelsohne verschiedene Anpassungen und Modifizierungen der Erfindung einfallen, und solche Anpassungen und Modifizierungen im Rahmen der angehängten Ansprüche sollen durch diese abgedeckt werden. Eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schließt zum Beispiel einen segmentierten Ring mit vier Segmenten und vier Meßdosen ein, jedoch ist dies nicht die einzig mögliche Anzahl von Bogenstützflächen. Es ist möglich, selbst von nur einer einzigen, mit einem der Segmente gekoppelten Meßdose aussagekräftige Informationen zu erhalten.

Claims

1. Sensor zum Wahrnehmen auf zerstörungsfreie Weise einer physikalischen, mit der Festigkeit eines sich bewegenden Bogens (11) eines Materials zusammenhängenden Eigenschaft, welcher folgendes umfaßt:

a) eine Mehrzahl an Kontakteinrichtungen (26A, 26B, 26C, 26D) zum Stützen einer Seite eines sich bewegenden Bogens (11) gegen eine ablenkende Kraft, wobei die Kontakteinrichtungen um einen ungestützten Bereich herum angeordnet sind, in den hinein der Bogen abgelenkt werden kann.

b) eine Ablenkungseinrichtung (29) zum Ablenken auf zerstörungsfreie Weise des sich bewegenden Bogens in den ungestützten Bereich hinein, so daß der Bogen gegen die Kontakteinrichtungen drückt.

c) eine betriebsmäßig einer ersten Kontakteinrichtung (26A) zugeordnete Kraftmeßeinrichtung (41A) zum Wahrnehmen der Kraft des Bogens gegen die erste Kontakteinrichtung und zum Erzeugen einer Ausgabe, die die Kraft des Bogens gegen die erste Kontakteinrichtung anzeigt; und

d) eine betriebsmäßig der Kraftmeßeinrichtung (41A) zugeordnete Recheneinrichtung (50) zum Errechnen dem physikalischen Eigenschaft des Bogenmaterials auf der Basis von zumindest der Ausgabe der Kraftmeßeinrichtung (41A).

2. Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem mehrere der Kontakteinrichtungen (26A, 26B, 26C, 26D) jeweils betriebsmäßig einer jeweiligen Kraftmeßeinrichtung (41A, 41B, 41C, 41D) zugeordnet sind, die jeweils eine vom Rechner zu verarbeitende Ausgabe erzeugen, die die Kraft des Bogens gegen die jeweilige Kontakteinrichtung anzeigt.

3. Sensor gemäß Anspruch 2, bei dem wenigstens eine der Kontakteinrichtungen (26A) zur Wahrnehmung einer physikalischen Eigenschaft in Maschinenrichtung ausgerichtet ist und wenigstens eine der zweiten Kontakteinrichtungen (26B) zur Wahrnehmung einer physikalischen Eigenschaft in Querrichtung ausgerichtet ist.

4. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Mehrzahl an Kontakteinrichtungen (26A, 26B, 26C, 26D) einen segmentierten Ring umfaßt.

5. Sensor gemäß Anspruch 4, bei dem jedes Segment (26A, 26B, 26C, 26D) des Rings annähernd neunzig Grad des Rings einnimmt.

6. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Ablenkungseinrichtung (29) ein frei drehbares Rad umfaßt, das gegen den ungestützten Bereich des Bogens 11 auf dessen den Stützeinrichtungen (26A, 26B, 26G, 26D) gegenüberliegender Seite drückt.

7. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem es sich beim Bogen (11) um Papier handelt.

8. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Ablenkungseinrichtung (29) dafür eingerichtet ist, den Bogen um eine relativ feste Entfernung abzulenken.

9. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem es sich bei der physikalischen Eigenschaft um die Festigkeitsgrenze handelt.

10. Sensor gemäß Anspruch 9, der ferner einen Ablenkungssensor (39) zum Wahrnehmen der Entfernung, um die der Bogen (11) in den ungestützten Bereich hinein abgelenkt wird, und zum Erzeugen eines Signals, das die wahrgenommene Entfernung anzeigt, umfaßt und bei dem die Recheneinrichtung ebenfalls die Festigkeitsgrenze auf der Basis des Signals bestimmt.

11. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die bestimmte physikalische Eigenschaft richtungsabhängig ist.