DE3872479T2

DE3872479T2 - Anordnung zur kontinuierlichen bestimmung der papierkraft.

Info

Publication number: DE3872479T2
Application number: DE8888402506T
Authority: DE
Inventors: Lee Mac Arthur Chase
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1987-10-05
Filing date: 1988-10-04
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2008-10-05
Also published as: FI884563A; DE3854843D1; DE3872479D1; JPH01162890A; EP0311507B1; US5013403A; KR890007074A; FI95840B; EP0311507A3; EP0464958B1; EP0311507A2; FI95840C; CA1329245C; DE3854843T2; FI884563A0; EP0464958A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Papierherstellung und insbesondere die zerstörungsfreie, kontinuierliche Betimmung der Papierkraft während der Herstellung der Papierblattmaterialien.

Stand der Technik

In der Papierherstellungsindustrie sind Festigkeitsangaben kommerziell bedeutsam für zahlreiche Papierprodukte wie Beutelpapier, Umschlagkarton, Wellmedium, Zeitungsdruckpapier und Gewebepapier. Als ein Ergebnis der Gewohnheit und Entwicklungen über Jahr basieren Stärke- bzw. Festigkeitsspezifikationen auf standardisierten Laborverfahren zur Bestimmung der Eigenschaften wie Berstfestigkeit, Zugfestigkeit, Längenänderung, innnerer Reißwiderstand, Randreißwiderstand, Bruchfestigkeit usw. Ein spezielles Beispiel eines weitgehend akzeptierten Labortests ist der Mullen-Bersttest. Ein Mullen-Test wird üblicherweise ausgeführt, indem eine Papierprobe über einen Ring geklemmt wird und dann eine Trennplatte einen ansteigenden Druck auf eine Seite des festgeklemmten Papiers ausübt, bis es zerreißt. Der Druck, bei dem die Probe zerbirst, wird der Mullen-Berstfestigkeitstest genannt (Standardbeschreibungen dieses Testes enthalten TAPPI 403 os-76 und ASTM D774.) Ein weiteres Beispiel eines gebräuchlichen Labortestverfahrens ist der "STFI"-Kompressionstest für schwere Papiere von dem Swedish Technical Forest Institute. Bei dem STGI-Test wird ein Probenstreifen zwischen zwei Klemmen gehalten, die aufeinander zu bewegt werden, während die Kompressionskraft überwacht wird; die maximale Druckkraft wird als STFI-Druckkraft des Papiers bezeichnet. (STandardbeschreibungen für diesen Test enthalten TAPPI 7818 os-76 und ASTM D1164.)
Ein weiteres Beispiel eines weithin akzeptierten Labortest ist der standardisierte Zugfestigkeitstest, bei dem ein Probenstreifen von Papier in entgegengesetzten Richtungen mit zunehmend größerer Kraft gezogen wird, bis die Probe zerreißt; die Zugkraft am Bruchpunkt wird als Zugfestigkeit des Papiers bezeichnet (Standardbeschreibungen für diesen Test enthalten TAPPI Standard T404 os76 und ASTM Standard-D 828.)
Labortestverfahren auf dem Gebiet der Papierherstellung haben jedoch bestimmte Begrenzungen. Eine kritische Grenze besteht darin, daß beträchtliche Zeitspannen erforderlich sind, um Proben zu beschaffen und zu analysieren. Während dieser Zeitspannen können Produktionsbedingungen sich so ändern, daß Labortestergebnisse, wenn sie verfügbar sind, nicht mehr die laufende Herstellung oder Produktbedingungen repräsentieren. Eine andere Beschränkung besteht darin, daß fast alle Labortests die physikalische Zerstörung der Papiermaterialien erfasse, wodurch sie notwendigerweise zerstörende Tests sind. Eine weitere Begrenzung besteht darin, daß Labortests sich mit Proben befassen, und die relativ kleinen Proben, die für Versuche benutzt werden, repräsentieren nicht vollständig oder genau das Blattmaterial, welches hergestellt wurde. Wegen der obigen Einschränkungen und des Umstands, daß Papierqualität-Laboratorien nur einen kleinen Bruchteil des von Papierherstellungsmaschinen erzeugten Papiers testen, geschieht es häufig, daß sehr große Mengen schlechter Qualität hergestellt werden, bevor ein Qualitätslabor Produkt probleme entdeckt.
Um automatische Labortestverfahren zu erhalten, schlägt die US- PS 4 550 613 ein Gerät zur automatischen Messung der Zugfestigkeitseigenschaften eines Blatts Papier vor. Das Gerät enthält eine Schneideinrichtung zum Schneiden einer Probe des Papiers einer Standardbreite und eine Einrichtung zum Messen der Zugfestigkeitseigenschaften der Probe.
Im Hinblick auf die Beschränkungen der standardisierten Laborverfahren, die automatisiert oder nicht automatisiert ist, haben Beschäftigte des papierherstellenden Gebiets versucht, fortlaufende Messungen der Papierfestigkeit On-line auszuführen, d.h. während die Blatt-herstellende Maschine arbeitet. On-Line- Messungen ermöglichen, wenn sie schnell und genau arbeiten, nahezu eine sofortige Kontrolle der Papierherstellungsprozesse und reduzieren so wesentlich die Menge minderwertigen Papiers, das erzeugt wird, bevor die Herstellungsbedinungen korrigiert sind. Mit anderen Worten haben On-Line-Messungen die Möglichkeit, erhebliche Zeitverluste zwischen dem Auftreten und der Korrektur von Störungsbedinungen in Papierherstellungsprozessen zu reduzieren. In der Praxis sind jedoch On-Line-Messungen von Papierherstellungsprozessen nur schwerlich genau auszuführen, und sie können häufig nicht mit standardisierten Labortests korreliert werden.
Eine der Schwierigkeiten bei der Ausführung genauer Messungen vovn Blattmaterial in papierherstellenden Maschinen resultieren aus dem Umstand, daß moderne papierherstellende Maschinen groß sind und mit hoher Geschwindigkeit arbeiten. Beispielsweise können manche papierherstellende Maschinen Blätter bis zu einer Breite von 400 inches mit Geschwindigkeiten, sogenannten "Drahtgeschwindigkeit" von etwa 20 bis 100 feet/s produzieren. Eine weitere Schwierigkeit bei On-Line-Messungen besteht darin, daß die physikalischen Eigenschaften von Papierblattmaterial über die Breite eines Blattes variieren können, und in Maschinenrichtung anders als in Querblattrichtung sein können (daher hat in Labortests die Papierfestigkeit typischerweise unterschiedliche Werte in Abhängigkeit davon, ob der Teststreifen in Maschinenrichtung oder in Querrichtung geschnitten wurde).
Da Labortest von Papierblatteigenschaften normalerweise zerstörend sind, sind solche Testverfahren nicht gut geeignet, um On-Line-Messungen zu erhalten. Da es andererseits kommerzielle Übung ist, daß solche Labortests von Blatteigenschaften der Maßstab für die Annehmbarkeit von On-Line-Messungen sind, sind nur solche On-Line-Sensoren, deren Ausgangswerte gut mit Labortests von Blatteigenschaften korrelieren, in der Lage, eine maximale Akzeptanz in der papierherstellenden Industrie zu erlangen. Ein spezielles Beispiel eines Vorschlags für eine On- Line-Messung von mechanischen Eigenschaften von Papierblattmaterialien ist in der US-PS 4,291,557 offenbart, die auf das Institute of Paper Chemistry übertragen ist und den Titel trägt "On-Line Ultrasonic Velocity Gauge". Dieses Patent beschreibt ein System zum Messen der Geschwindigkeiten von Ultraschallwellen durch laufende Papierbahnen unter Verwendung einer Vorrichtung mit beabstandeten Rädern, die auf einer laufenden Papierbahn abrollen. Die Räder haben Wandler an ihrem Umfang zum Aufbringen von Ultraschallsignalen auf die Bahn. Gemäß dem Patent können Ausgangssignale der Wandler verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Schallwellen durch die Bahn zu messen. Der Patentinhaber schlägt auch vor, daß die Schallgeschwindigkeitsmessungen mit dem Young's Elastizitätsmodul korreliert werden können, welches seinerseits verwendet werden kann, um die Paierfestigkeit zu schätzen (siehe auch Baum, G.A., "Paper Testing and End-Use Performance", abgedruckt in "Compressive Strenght Development on the Papermachine", Institute of Paper Chemistry, 55-8, 1984).
Andere Fachleute des Gebietes haben auch vorgeschlagen, daß Korrelationen zwischen der Zugfestigkeit, der Berstfestigkeit und der Schallgeschwindigkeit durch eine Papierbahn existieren.
Siehe "On-Line-Measurement of Strenght Characteristics of a Moving Sheet, King T. Lu TAPPI, 58(6): 80 (June 1985). Siehe auch Seth, R. S., und Page, D. H., "The Stress Strain Curve of Paper" in "The Role of Fundamental Research in Papermaking" PIRA Symposium Proceeding, Chambridge, 1981, wobei berichtet ist, daß der Elastizitätsmodul eines Blattes in Bezug zu dem Elastizitätsmodul der Fasern, der mittleren Länge und Breite der Fasern und dem relativen Verbindungsbereich steht. Die US-PS 4 574 634 offenbart eine Vorrichtung mit Schallwandlern zur Erfassung des Young's-Modul für Papierproben in Maschinenrichtung und Querrichtung. Außerdem wird in der US-PS 4 335 603 von Beloit Corporation vorgeschlagen, die Spannung einer laufenden Papierbahn durch Messen der Laufzeit einer Schallwelle durch die Bahn zu erfassen.
Nach der Definition bezeichnet der Young's-Modul die Änderung einer Spannungs-Formänderungsbeziehung. Auf Papiermaterialien angewandt, bezieht sich die Spannung auf eine Belastungskraft, die auf eine Papierprobe aufgebracht ist, und die Formänderung auf eine Verlängerung der Probe entsprechend der aufgebrachten Kraft. Es wurde beobachtet, daß bei der Bestimmung des Young's- Modul für vorgegebene Proben von Papier der Bruchpunkt von anderem Papier derselben Art manchmal vorhergesagt werden kann. In der Praxis jedoch steht der Young's Modul nicht in einer engen Beziehung zu Papierherstellungsprozeßbedingungen, die sich auf die Papierfestigkeit auswirken, und es ist bekannt, daß einige Verfahrensschritte die Festigkeit von Papier in einem gewissen Umfang erhöhen können mit einer kaum wesentlichen Änderung des Young's-Modul, und daß andere Verfahrensschritte, z.B. Formänderung im feuchten Zustand, sich erheblich auf den Young's-Modul bei bestimmten Arten von Papier auswirken können, wobei dies erheblich weniger die Papierfestigkeitsmessungen beeinflußt. Sieht hierzu beispielsweise den Artikel von Seth & Page, wie oben erwähnt.
Als weiteren Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist es zweckmäßig, allgemein einen typischen Papierherstellungsvorgang zu beschreiben. Ausführlich gesprochen, beginnt ein Papierherstellungsprozeß, wenn ein flüssiger Brei aus Fasern und Wasser, sogenanntes Rohmaterial, aus einem Behälter, der "Kopfbox" genannt wird, auf ein Drahtsieb gesprüht wird, welches die Bahn hält, während diese im wesentlichen entwässert wird. Nachdem eine feuchte Faserbahn gebildet ist, wird diese durch einen Preßabschnitt geführt, wo Wasser aus der Bahn gedrückt wird, und gelangt dann in einen Trocknerabschnitt, wo Wasser von der Bahn verdampft wird. Nach dem Trocknerabschnitt durchläuft die Bahn Kalanderwalzen, die die Oberflächengüte hervorrufen, und anschließend üblicherweise durch einen Taster und auf eine Rolle. Der Teil des Papierherstellungsprozesses vor dem Trockner wird häufig als "feuchtes Ende" des Prozesses bezeichnet. Es sei erwähnt, daß On-Line-Messungen an dem feuchten Ende wünschenswert sind, da solche Messungen, wenn auf sie sofort reagiert wird, eine frühzeitige Kontrolle während der Papierherstellung ermöglichen, so daß Prozeßänderungen möglich sind, bevor wesentliche Mengen von Papier schlechter Qualität produziert sind. Andererseits sind Feuchtende-Messungen schwierig wegen des hohen Wassergehalts der Papierbahnen in diesem Zustand und wegen der häufig schwierigen Umgebungsbedingungen.
Ebenfalls zum Hintergrund der vorliegenden Erfindung sei erwähnt, daß Papierherstellungsmaschinen Sensoren aufweisen, um Parameter wie Drahtgeschwindigkeit, Basisgewicht, Feuchtigkeitsgehalt und Durchmesser des Papiers während der Produktion zu messen. Viele der On-Line-Sensoren sind so konstruiert, daß sie periodisch die laufenden Bahnen des Blattmaterials überqueren oder "Abtasten", um aufeinanderfolgende Messungen quer über die Bahnen auszuführen. (Auf dem Blatt-Herstellungsgebiet wird eine Folge von Messungen benachbarter Stellen, die insgesamt eine ablaufende Bahn in Querrichtung überspannen, ein "Profil" genannt). Abtastsysteme sind vorteilhaft, weil -wie vorher schon erwähnt- verschiedene Eigenschaften des Papiers sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung des Blattes variieren können. Insbesondere können die Querrichtungsfestigkeitseigenschaften anders sein als die Maschinenrichtungsfestigkeitseigenschaften.
Beispiele von Abtastsystemen sind in den US-PSen 3,641,349; 3,681,595; 3,757,122 und 3,886,036 von Measurex Corporation offenbart. Andere spezielle Beispiele von Abtastkalibern, die von Fachleuten vorgeschlagen sind, enthalten eine solche, die die Zusammensetzung des Blattmaterials durch Messung der Strahlung erfassen, die von Bündeln von Infrarotlicht oder anderen Strahlern bekannter Wellenlänge absorbiert sind, die auf einen vorgegebenen Bereich des Blattmaterials gerichtet werden. Vorrichtungen des letzteren Typs arbeiten entsprechend dem allgemeinen Prinzips, daß die Strahlungsmenge, die vom Blattmaterial bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert wird, eine Funktion der Zusammensetzung des Materials ist. Auch die US-PS 4,453 404 von Mead Corporation beschreibt ein Abtastsystem zum Messen statistischer Eigenschaften des Blattmaterials. Das Patent gibt an, daß das System die Gewichtsbasis des Blattmaterials wie Papier überwacht, wenn das Material produziert wird. In der US- PS 2,806 373 wird eine Vorrichtung zum Testen von Blattmaterial offenbart, die wenigstens zwei Detektoren hat, die fortlaufend auf Änderungen der Dicke und der Durchlässigkeit reagieren. Das Patent gibt an, daß für Papier, das in einer vorgegebenen Papiermühle aus vorgegebenem Rohmaterial produziert wird, eine Beziehung existiert zwischen verschiedenen Eigenschaften des Papiers und daß es die Kenntnis von einigen der Eigenschaften erlaubt, auf andere Eigenschaften zu schließen. Insbesondere sagt das Patent, daß Veränderungen in der Porosität und Feuchtigkeit als algebraische Funktionen der Änderungen der Dicke und der Substanz erhalten werden können.
Die US-PS 3 687 802 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts und des Basisgewichts von Papier durch Messen und Entwickeln von geeigneten Steuersignalen zur Einstellung einer Papierherstellungsmaschine, so daß die gewünschten Messungen angenähert sind. Die US-PS 3,936 665 offenbart ein Überwachungsgerät für Blattmaterial mit Sensormeßlehren und einem Computer zur Bestimmung eines Datenprofils quer über das Blattmaterial. Nach dem Patent können die überwachten Daten benutzt werden, Informationen zur Steuerung eines Blattherstellungsprozesses zu liefern, um eine gewünschte Charakteristik des Blattmaterials zu erhalten. Außerdem kann nach dem Patent das Datenprofil einer Charakteristik eines Blattes ohne Abtastmeßlehre erhalten werden.
Die GB 2170905 offenbart einen Strahlungsensor für On-Line- Messung der Maschinenrichtung und Querrichtung der Faserorientierungsverhältnisse, der Bildung von Merkmalen der mehrfachen räumlichen Bereiche und optischen Dichten. Die Ausgangswerte werden verarbeitet, um Faserorientierungsverhältnis, Formation und Basisgewichtsmessungen zu erhalten. Obwohl das Patent auf allgemeine Weise angibt, daß diese Werte als Steuerparameter verwendet werden können (Seite 2, Zeile 29ff), wird nur die Faserausrichtung in dem Patent im Bezug auf die Festigkeit gebracht (Seite 1, Zeilen 38-45). In der EP 02006550 wird die Bestimmung der Papierblattfestigkeit durch Messen der Papierkraft bewerkstelligt, die in Beziehung zur Zugspannung und zum Elastizitätsmodul gesetzt wird, und die Festigkeit wird aus diesen Messungen errechnet.

Aufgaben und Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung

Allgemein gesagt ist es hauptsächlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Methode zur fortlaufenden Bestimmung von Festigkeitseigenschaften von laufenden, kontinuierlichen Bahnen von Papierblattmaterial während der Herstellung in einer Papierherstellungsmaschine ohne zerstörende Versuche anzugeben.
Spezieller gesagt, ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte On-Line-Methode für zerstörungsfreie Erfassung von Prozeßmeßstellvertreterwerten für Festigkeitseigenschaften von Papierblattmaterialien während der Herstellung anzugeben, wobei die Stellvertreterwerte beispielsweise verwendet werden können, um Änderungen in dem Papierherstellungsprozessen zu steuern und die Festigkeit des herzustellenden Papierblattmaterials selektiv zu variieren.
Entsprechend den vorstehenden Aufgaben gibt die vorliegende Erfindung allgemein ein zerstörungsfreies Verfahren zur fortlaufenden Bestimmung der Stärke bzw. Festigkeit von Papierblattmaterial während der Herstellung an, welches auf Messung von Verfahrensmeßstellvertretern für wenigstens vier der folgenden Eigenschaften, die mit der Blattfestigkeit verbunden sind, basiert: die Stärke bzw. Festigkeit einzelner Fasern, die Längenverteilung der Fasern, die Menge der Fasern, die Verteilung der Fasern, die Ausrichtung der Fasern und die Anzahl der Verbindungen zwischen den Fasern. Nach den Stellvertretermessungen für wenigstens vier der vorgenannten Eigenschaften finden statistische Auswertungen statt, um die Stellvertretermessungen mit der Papierfestigkeit zu korrelieren. Außerdem kann der Betrieb der Papierherstellungsmaschine auf der Basis von Änderungen der erfaßten Stellvertreterwerte gesteuert werden, um die Festigkeit des hergestellten Blattmaterials einzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Verfahrensstellvertretermessung für die Festigkeit der einzelnen Fasern eine Zugkraft, die auf ein Blatt während des Trocknens aufgebracht wird. Solche Zugkräfte werden beispielsweise durch eine zerstörungsfreie Einrichtung des Abtasttyps gemessen, die eine Stützeinrichtung zum Halten einer Seite des laufenden Blattes um einen begrenzten nicht-abgestützten Bereich aufweist, eine Ablenkeinrichtung, die das Blatt innerhalb des nicht-abgestützten Bereichs verlagert, Kraftsensoren zum Messen der Kräfte, die in Bezug auf die Kraft stehen, mit der das Blatt innerhalb des begrenzten Bereichs abgelenkt wird, und Verlagerungssensoren zm Messen der Strecke, um die das Blatt innerhalb des begrenzten Bereichs abgelenkt wird.
Aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren zahlreiche Vorteile auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Erfassugn von Festigkeiteigenschafte laufender, stetiger Bahnen von Papierblattmaterial während der Herstellung bietet. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die die bevorzugte Ausführungsform darstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Abtasteinrichtung zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur fortlaufenden Bestimmung der Stärke bzw. Festigkeit des Papierblattmaterials;
Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Abtasteinrichtung von Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Aufsicht auf den unteren Teil der Abtasteinrichtung gemäß Fig. 3 entlang der Ebene der Linie 4-4 in Fig. 3, in Richtung der Pfeile gesehen;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das der Erläuterung der Arbeitsweise der Abtasteinrichtung gemäß den Figuren 2 und 3 dient;
Fig. 6 ist eine weitere Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Abtasteinrichtung gemäß Fig. 3;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Wechselbeziehung der durch verschiedene Sensoren einschließlich der Abtasteinrichtung gemäß den Figuren 2 und 3 erhaltenen Messungen darstellt, zur Bestimmung Papierblattfestigkeit in dem Verfahren gemäß Fig. 1 und
Fig. 8 zeigt in einem Diagramm ein System, das Verfahrensmeßstellvertreter verwendet, um Ausgangssignale zur Steuerung einer Papierherstellungsmaschine abzugeben.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein Verfahren zur Bestimmung der Papierfestigkeit, wie es allgemein in Fig. 1 abgebildet ist, beruht auf der Identifkation und Erfassung von Verfahrensmeßstellvertretern für die grundlegenden physikalischen Eigenschaften, die die Papierfestigkeit bestimmen. Spezieller gesagt, sind basierend auf der Charakterisierung der Paierblätter als getrocknete Fasermatten die grundlegen Festigkeitseigenschaften des Papiers in zwei breite Kategorien klassifiziert: Eigenschaften, die den Fasern zu eigen sind, und Eigenschaften, die den strukturellen Anordnungen der Fasern zu eigen sind. Die Eigenschaften der ersten Kategorie enthalten die Festigkeit der einzelnen Fasern und ihre Längenverteilung. Die Eigenschaften der zweiten Kategorie schließen die Fasermenge, ihre Verteilung oder "Formation", ihre Ausrichtung, die Anzahl der Verbindungen zwischen den Fasern und die Festigkeit der Verbindungen ein. Weiterhin allgemein gesagt werden Sensoren in dem in Figur 1 dargestellten Verfahren verwendet, um Ausgangswerte zu erhalten, die Verfahrensmeßstellvertreter für wenigstens vier der grundlegenden physikalischen eigenschaften angeben, die die Papierfestigkeit bestimmen. Somit stellt die Anwendung des Verfahrens gemäß Figur 1 eine Vereinfachung und Rationalisierung der Bestimmung der Papierfestigkeit auf allgemein fortlaufende Weise dar, während die Papierblattmaterialien hergestellt werden.
Beim Abfühlen der Festigkeit der einzelnen Fasern besteht eine anfänglich Komplikation darin, daß direkte Messungen nicht möglich sind, ohne das Blattmaterial zu zerstören. Diese Komplikation wird jedoch bei dem Verfahren gemäß Figur 1 durch Erfassung von Prozeßparametern vermieden, die kausal mit der Festigkeit der einzelnen Fasern korrelieren. Spezieller gesagt, wurde herausgefunden, daß die Festigkeit der einzelnen Fasern in erster Linie von der Faserart, der Zellstoffbehandlung und der Kräfte abhängt, die während des Trocknens auf die Blätter ausgeübt werden. Im Hinblick auf die Faserart wurde hrausgefunden, daß Weichhölzer kräftigeres Papier bilden als Harthölzer, daß jedoch die Papierfestigkeit nicht wesentlich bei bestimmten Weichholzarten variiert (siehe Setterholm, V.C. und Chilson, W. A., TAPPI 48,Noll: 634-640, November 1965). Damit wird bei dem in Figur 1 abgebildeten Prozeß angenommen, daß das Verhältnis von Harthalzzellstoff zu Weichholzzellstoff eine Angabe der Paierfestigkeit in Abhängigkeit von der Faserart bereitstellt. Demnach ist ein Verfahrensmeßstellvertreter für die individuelle Faserfestigkeit dadurch gegeben, daß das Verhältnis von Hartholz zu Weichholz in einem Zellstoff festgestellt wird, was üblicherweise durch Fließmessungen geschieht.
Weiterhin ist es im Hinblick auf indirekte Messungen der Festigkeit von einzelnen Fasern bekannt, daß Unterschiede in der Herstellung des Zellstoffs die Faserfestigkeit beeinflussen, siehe beispielsweise Mardon, J., eta l, "Stock Quality Factors Affecting Paper Machine Efficiency", Technical Section CPPA, Montreal 1972, worin berichtet wird, daß zunehmender chemischer Zellstoff in Zeitungspapier die Festigkeit und Elastizitätsmodul der Zeitung erhöht. Typische Zellstoffherstellungsprozesse enthalten Grundholz, thermo-mechanische und kraft-Prozesse. Viele gewöhnliche Papiermaterialien einschließlich Zeitungspapier werden durch Vermischen von Zellstoffen hergestellt, die durch zwei oder mehr Zellstoffherstellungsprozesses produziert werden. Somit wird ein weiterer Verfahrensmeßstellvertreter für individuelle Faserfestigkeit durch Erfassen des Mengenverhältnisses von Zellstoffen gegeben, die einer Papierherstellungsmaschine zugeführt werden (d.h. das Zellstoffverhältnis). Das Zellstoffverhältnis kann üblicherweise durch einfache Fließüberwachung erfaßt werden.
Im Hinblick auf indirekte Messungen der Festigkeit einzelner Fasern wurde bereits gezeigt, daß während des Trocknens aufgebracht Kräfte die Festigkeit einzelner Fasern in dem Blattmaterial erhöhen kann (siehe C. Kim et al, "The Mechanical Properties of Single Wood Pulp Fibers", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 14, pp 1549-1561, 1975. Dieser Effekt wird höchstwahrscheinlich durch feuchte Fasern hervorgerufen, die aneinander vorbei während des Trocknens zu Entlastungsbereichen von nicht-gleichförmigen Kraftkonzentrationen wandern. Eine Manifestation dieser Wirkung besteht darin, daß wegen des mechanischaufgebrachten Zuges oder Verlängerung des Papiers in Maschinenrichtung während der Herstellung Paier häufig anisotropisch in dem Sinne wird, daß es in der Maschinenrichtung stärker ist als in Querrichtung. Wie Figur 1 anzeigt, kann der Maschinenrichtungszug (d.h. Verlängerung) als ein Verfahrensmeßstellvertreter für individuelle Faserfestigkeit erfaßt werden. In der Praxis wird der Maschinenrichtungszug vollständig durch herkömmliche Geschwindigkeitssensoren oder Tachometer erfaßt, die an ausgewählten Walzen einer Papierherstellungsmaschine angebracht sind.
Außerdem wurde herausgefunden, daß Spannungen in den Papierblättern während des Trocknens infolge Papierschrumpfung und Maschinenzug und wegen Beschränkungen der physikalischen Bewegung der Blätter entstehen. Es wurde auch herausgefunden, daß die Querrichtungs-Elastizitätsmoduli von der Mitte zu den Rändern der Papierherstellungsmaschinen sinken. Dies bildet eine Basis zur Verwendung von Messungen, die zu Elastizitätsmodulen Bezug haben, als Verfahrensmeßstellvertreter für die Spannung in dem in Figur 1 dargestellten Verfahren. Eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Elastizitätsmodulen in Querrichtung und in Maschinenrichtung wird im Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 6 beschrieben.
Weiterhin mit Bezug auf das in Figur 1 abgebildete Verfahren ist die zweite Eigenschaft innerhalb der Fasercharateristik-Kategorie, die sich auf die Festigkeit der Papierblattmaterialien auswirkt, die Faserlängenverteilung. Diese Eigenschaft ist wichtig für die Blattfestigkeit, da gezeigt wurde, daß lange Fasern mehr Verbindungen pro Faser schaffen als kurze Fasern. Ein Verfahrensmeßstellvertreter für die Faserlängenverteilung ist Vakuum auf einer Gautschwalze einer Papierherstellungsmaschine. Eine Erklärung für die Basis dieses Meßstellvertreters liegt darin, daß die Blattporosität, die durch das Gautschwalzenvakuum angezeigt wird, mit der Faserlänge abnimmt, da kürzere Fasern häufiger offene Bereiche in den Blättern schaffen als lange Fasern. Ein weiterer Meßstellvertreter für die Längenverteilung der Fasern ist die optische Streuung. Eine Erklärung für die Basis dieses Meßstellvertreters liegt darin, daß auf Blattmaterialien abgegebenes Licht durch kurze Fasern mehr als durch lange Fasern zerstreut wird. In der Praxis kann optische Zerstreuung durch verschiedene herkömmliche Infrarot-Abtasteinrichtungen erfaßt werden wie durch einen Infrarotmeasurex-Feuchtigkeitssensor, der von Measurex Corporation of Cupertino, Kalifornien, hergestellt wird.
Messungen von Eigenschaften der Kategorie der strukturellen Anordnung der Fasern werden nun in den Begriffen des Verfahrens erläutert, das in Figur 1 dargestellt ist. Eine der Eigenschaften dieser Kategorie ist die Fasermenge. Die Bestimmung dieser Eigenschaft als Auswirkung auf die Blattfestigkeit basiert auf Beobachungen, die anzeigen, daß die Festigkeit von faserigen Blättern allgemein proportional der Anzahl der Fasern in dem Blatt ist. Wie Figur 1 anzeigt, wird ein Verfahrensmeßstellvertreter für die Fasermenge in einem Blatt durch Bestimmung des Trockenbasisgewichts des Blattes erhalten. Das Trockenbasisgewicht wird normalerweise als Gewicht pro Einheitsfläche des Blattmaterials ausschließlich der Feuchtigkeit definiert und üblicherweise in Einheiten von Gramm/Quadratmeter angegeben. Damit ist auf dem Gebiet der Papierherstellung das Trockenbasisgewicht äquivalent dem Gewicht von trockenem Material, hauptsächlich Fasern, die in einer vorgegebenen Fläche des Papierblatte enthalten sind. Zugehörige Meßparameter sind Basisgewicht und Feuchtigkeitsgehalt eines Blattes pro Einheitsfläche. Solche Parameter sind deshalb heranzuziehen, weil für eine vorgegebene Fläche eines Blattes das Trockenbasisgewicht gleich ist dem Basisgewicht minus dem Feuchtigkeitsgehalt.
Das Trockenbasisgewicht kann ermittelt werden durch Verwendung eines Measurex Basisgewichtssensors in Verbindung mit einem Measurex Feuchtigkeitssensor und einem Measurex Röntgenstrahlenaschensensor. Die letzteren zwei Geräte messen die Feuchtigkeit und den Füllstoffgehalt. Mit solchen Messungen kann das Trockenbasisgewicht errechnet werden, in dem die Feuchtigkeit und der Füllstoffgehalt von dem gesamten Basisgewicht abgezogen werden. Die US-PS 4,289 964 von Intec Corporation schlägt vor, daß Beta-Strahlenmeßgeräte eine laufende Bahn in Querrichtung abtasten, um das Basisgewicht zu bestimmen. Außerdem wird in der US-Pa- tentanmeldung Serial No. 902,225 vom 29. August 1986 von Measurex Corporation of Cupertineo, Kalifornien eine Einrichtung zum Messen des Trockenbasisgewichts vorgeschlagen. Die in dieser Anmeldung beschriebene Vorrichtung mißt optisch das Trockenbasisgewicht von Blattmaterialien durch reflektierende Lichtstrahlen auf eine Fläche einer laufenden Papierbahn und anschließendes Erfassen zweier bestimmter Lichtwellenlängen, die durch die Bahn hindurchgehen.
Auf dem Gebiet der Papierblattherstellung wird die Verteilung von Fasern in dem Blatt als "Formation" bezeichnet. Die Formation kann zur Blattfestigkeit in Bezug gesetzt werden, da bekannt ist, daß Blätter mit unterschiedlichen Faserformationen sehr unterschiedliche Festigkeiten haben und daß Blätter mit ungleichförmigen Faserformationen an sogenannten "dünnen Punkten", wo die Faserkonzentrationen minimal sind, am weichsten sind. Allgemein gesagt, kann ein Verfahrensmeßstellvertreter für die Faserformation erhalten werden, indem der Durchgang von parallelem Licht durch ein laufendes Blatt unter Verwendung von optischen Sensoren erfaßt wird, die relativ wenig auf Feuchtigkeitsänderungen reagieren. Beispiele geeigneter optischer Sensoren enthalten einen, der den Durchgang durch das Blattmaterial bei hochgradig parallelem oder gebündelten Licht eines schmalen Bandes von Wellenlängen von etwa 1,3 Mikron mißt. Mit solchen optischen Sensoren werden dünne Flecken als Transmissions-Maxima identifiziert.
Ein alternativer Verfahrensmeßstellvertreter für die Faserformation ist das Verhältnis der Strahl-zu-Draht-Geschwindigkeit, wobei die Strahlgeschwindigkeit die Geschwindigkeit ist, mit der der Zellstoff aus einer Kopfbox austritt. Der Grund für diese Messung besteht darin, daß Turbulenzen, die eine Faserflockenbildung zerstören, bei Strahlgeschwindigkeiten entstehen, die niedriger sind als Drahtgeschwindigkeiten. Die Drahtgeschwindigkeit wirkt sich auch auf die Formation aus, da eine Erhöhung der Drahtgeschwindigkeit normalerweise eine Erhöhung der Strahlgeschwindigkeit erfordert. Die Strahlgeschwindigkeit kann mit herkömmlichen Messungen des Kopfdrucks erfaßt werden, und die Drahtgeschwindigkeit kann durch herkömmliche Tachometer erfaßt werden, die mit geeigneten Walzen in einer Papierherstellungsmaschine verbunden sind.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die US-PS 3,435,242 eine Vorrichtung offenbart, die die Formation von Fasern in Papierblättern untersuchen soll. Die Vorrichtung enthält mehrere engstrahlige Fotodioden, die nahe dem zu untersuchenden Material angeordnet werden, einen schmalstrahligen Detektor und einen Sofort-Computer zur Abgabe von Ausgangssignalen, die die strukturelle Formation des getesteten Materials wiedergeben. Außerdem ist in der Publikation "Pulp & Paper" (August 1985, Seite 163) eine Vorrichtung beschrieben, die Lippke-Sensor genannt wird und die Blattformation oder Faserausrichtung des feuchten Endes eines Papierherstellungsverfahrens überwacht. Der Lippke-Sensor soll einen Laserlichtstrahl verwenden und einen zwei-dimensinalen Fotodetektor zur Erfassung des Lichtstreudifferentials zwischen zufällig angeordneten Fasern und parallel angeordneten Fasern.
Weiterhin mit Bezug auf Figur 1 wird die Erfassung der geometrischen Ausrichtung von Fasern beschrieben. In dieser Beziehung wurde herausgefunden, daß die Faserfestigkeit in Richtung der Ausrichtung der Mehrheit der Fasern größer ist in einem Blatt als in anderen Richtungen. Um Verfahrensmeßstellvertreter für die Faserorientierung bereitzustellen, kann ein System mit zwei Mikrowellenfeuchtigkeitssensoren verwendet werden, bei dem einer der Sensoren in Maschinenrichtung und der andere in Querrichtung angeordnet ist. Die Us-PS 3,807,868 von Valmet Oy beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung in Papier einschließlich der Schritte der Erfassung von polarisiertem Licht in rechten Winkeln zu der Ebene des Papiers, des Reflektierens des Lichtes in zwei Ebenen in rechten Winkeln zueinander und der Bildung zweier Mengen auf der Basis des reflektierten Lichtes, um einen Indexwert für die Anisotropie der Faserorientierung anzugeben. Außerdem ist in einem Artikel von Z. Koran et al. "Network Structure and Fiber Orientation in Papier", TAPPI Journal, Mai 1986 (pp. 126-128) ein Verfahren zur Erfassung von Faserorientierung in Papier mittels Röntgenstrahlen-Diffraktion und Null-Spannen-Zugversuchen beschrieben. Trotz des Vorstehenden soll erwähnt werden, daß die Faserorientierung normalerweise eine Funktion des Kopfbox-Aufbaus ist, und daß die Auswirkung der Kopfbox-Konstruktion auf die Faseranordnung bei einer vorgegebenen Maschine allgemein konstant ist, obwohl die Kopfbox-Konstruktionen von Maschine zu Maschine beträchtlich variieren können.
Eine weitere Eigenschaft, die die Papierfestigkeit beeinflußt, ist die Anzahl von Verbindungen zwischen Fasern des Blattes. Da die Anzahl der Verbindungen innerhalb eines Papierblattes allgemein zunimmt, wenn Fasern dichter beieinander liegen, können Dichtemessungen einen Verfahrensmeßstellvertreter für die Anzahl der Verbindungen zwischen Fasern angeben. Zum Zwecke des in Figur 1 abgebildten Prozesses sollten Dichtemessungen an dem Feuchtende des Papierherstellungsprozesses stattfinden, da an dem trockenen Ende das Kalandern die Dichte erhöht, jedoch das Blattmaterial durch mechanisches Brechen der Fasern schwächen kann. In der Praxis kann die Dichte direkt On-Line unter Verwendung herkömmlicher Sensoren erfaßt werden, die das Basisgewicht und den inneren Durchmesser erfassen.
Im Hinblick auf die Festigkeit der Verbindungen zwischen Fasern wurde herausgefunden, daß die Verbindungsfestigkeit in erster Linie von der Faserart, der Zellstoffherstellung, Additiven, Druck und Feuchtigkeit abhängt. Die Beziehung der Verbindungsfestigkeit zur Faserart ist im wesentlichen dieselbe wie die Beziehung der einzelnen Faserfestigkeit zur Faserart, nämlich Weichhölzer geben eine festere Verbindung als Harthölzer, jedoch ist die Verbindungsfestigkeit im wesentlichen unabhängig von bestimmten Hartholzarten oder Weichholzarten, solange das Verhältnis von Hartholzzellstoff zu Weichholzzellstoff konstant gehalten wird. Somit wird ein Verfahrensmeßstellvertreter für individuelle Verbindungsfestigkeit durch Überwachen des Verhältnisses von Hartholz zu Weichholz in dem Beschickungszellstoff erhalten, üblicherweise durch Fließüberwachungseinrichtungen. Außerdem variiert wie bei der Faserfestigkeit die Verbindungsfestigkeit als Funktion des Zellstoffverhältnisses der Beschikkung zu einer Papierherstellungsmaschine. Wiederum kann dieser Meßstellvertreter durch herkömmliche Fließüberwachungseinrichtungen erfaßt werden.
Bei Papierherstellungsprozessen werden manchmal Additive wie Gummi oder Stärke verwendet, um die Verbindungsfestigkeit zu erhöhen. Wenn solche Additive verwendet werden, kann die Menge der Additive durch Fließmeßeinrichtungen gemessen werdenund Kalibrierungen können gemacht werden, um die Auswirkung der Additive auf die Festigkeit der Verbindungen zwischen Fasern wiederzugeben
Weiterhin ist es im Hinblick auf die Festigkeit von Verbindungen zwischen Fasern bekannt, daß feuchtes Pressen die Verbindungfestigkeit erhöht, indem der Kontaktbereich zwischen den Fasern wächst, wodurch sich mehr Verbindungen ausbilden können. In der Praxis wird meistens das feuchte Pressen durch Kronenwalzen bewirkt, die bei konstanter Temperatur arbeiten. Obwohl das feuchte Pressen sich auf die Verbindungsfestigkeit auswirkt, ist dieser Vorgang üblicherweise nicht variabel und erfordert daher keine ständige Überwachung als ein Faktor, der die Blattfestigkeit beeinfluß.
Der Feuchtigkeitsgehalt des faserigen Blattmaterials wirkt sich auch auf die Verbindungsfestigkeit aus und wird in erster Linie durch die Trocknertemperatur und die Drahtgeschwindigkeit bestimmt. In der Praxis wird der Feuchtigkeitsgehalt von Blattmaterialien vollständig On-Line mit herkömmlichen Feuchtigkeitssensoren wie mit dem oben erwähnten Measurex -Feuchtigkeitssensor gemessen. Wie Figur 1 anzeigt, kann der erfaßte Feuchtigkeitsgehalt des Blattmaterials verwendet werden, um die Festigkeit von Faserverbindungen anzuzeigen, und damit die Festigkeit des Blattmaterials.
Der relative Beitrag jedes der oben erwähnten Verfahrensmeßstellvertreter zu der Festigkeit eines speziellen Paierblattmaterials hängt von den Eigenschaften der Papierherstellungsmaschine ab, in der das Blattmaterial hergestellt wird. Zu Zwecken der Prozeßkontrolle einer individuellen Maschine können einige der Verfahrensmeßstellvertreter häufig als unveränderlich betrachtet werden. Obwohl die Ausrichtung von Fasern die Papierfestigkeit beeinflußt und durch die Kopfboxkonstruktion bestimmt werden kann, sind beispielsweise die Auswirkungen der Kopfboxkonstruktion üblicherweise während des Betriebes von modernen Papierherstellungsmaschinen konstant, und können daher üblicherweise durch Instrumentkalibrierung bestimmt werden, so daß sie nicht fortlaufend gemessen werden müssen.
Figur 7 zeigt in einem Diagramm die Zwischenbeziehung zwischen den Verfahrensmeßstellvertretern und Parametersensoren zur Bestimmung der Papierblattfestigkeit. Es wird darauf hingewiesen, daß die in Figur 7 aufgelisteten sieben Parameter dieselben sind, die oben im Zusammenhang mit Figur 1 diskutiert sind. Außerdem zeigt Figur 7 Arten von Sensoren, die verwendet werden können, um Verfahrensmeßstellvertreter zu erhalten, die die sieben Eigenschaften angeben. Beispielsweise kann ein Infrarot (IR)-Feuchtigkeitssensor verwendet werden, um den Feuchtigkeitsgehalt eines laufenden Blattes zu erfassen, und um so eine Messung der Verbindungsfestigkeit zwischen Fasern anzugeben. Es wird darauf hingewiesen, daß ein spezieller Typ eines Sensors verwendet werden kann, um mehr als einen Verfahrensmeßstellvertreter anzugeben, beispielsweise kann ein Infrarot-Feuchtigkeitssensor verwendet werden, um sowohl den Feuchtigkeitsgehalt als auch das Trockenfasergewicht anzuzeigen.
Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen, die eine Abtaststation zeigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 111 bezeichnet ist und sich quer über eine Papierbahn 113 in Querrichtung erstreckt und einen Sensor zur Erfassung der Spannung bzw. Kraft in der Bahn 113 enthält. Bei der speziellen Ausführungsform der Abtaststation 111, die zur Illustration gewählt ist, verläuft die Bahn 113 horizontal zwischen zwei stationären parallelen Trägern 121 und 122, die so befestigt sind, daß sie sich quer über die Bahn parallel zu deren gegenüberliegenden Flächen erstrecken. In Abhängigkeit von der Papierherstellungsmaschine können die Träger 121 und 122 eine Länge von etwa 100 bis etwa 400 inches haben. Normalerweise ist die Abtaststation 111 an einer Stelle der Papierherstellungsmaschine angeordnet, an der die Papierbewegung relativ stabil ist und im wesentlichen keinen Änderungen wie Vibration unterliegt.
Wie Figur 2 außerdem zeigt, enthält die Abtaststation 111 sich bewegende Schlitteneinrichtungen 123 und 124, die an dem oberen und unteren Träger 121 und 122 befestigt sind und die Bahn 113 abtasten. (In Figur 2 ist die Bahn 113 mit einem weggeschnittenen Bereich dargestellt, so daß die untere Schlitteneinrichtung 124 nicht verdeckt ist). Ein herkömmlicher Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) ist vorgesehen, um die Schlitten 123 und 124 entlang der Träger 121 und 122 rückwärts und vorwärts zu bewegen. Beim Betrieb funktioniert der Antriebsmechanismus so, daß die Schlitten 123 und 124 synchron bewegt werden, wobei ein Schlitten stets mit dem anderen fluchtet.
Ebenfalls in Verbindung mit Figur 2 wird darauf hingewiesen, daß der obere Schlitten 123 einen Teil eines Sensors trägt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 125 bezeichnet ist, während der untere Schlitten 124 einen weiteren Teil desselben Sensors trägt. Der komplette Sensor 125 ist in Figur 3 abgebildet. Allgemein ähnliche Sensoren sind in den folgenden US-Patentanmeldungen von Measurex Corporation of Cupertino, Kalifornien, dargestellt. S.N. 730,406 vom 2. Mai 1985; S.N. 784,213 vom 4. Oktober 1985 und US-Patentanmeldung vom 18. Juli 1986 als Continuation-In-Part der Anmeldung S.N. 784,213.
Es wird nun zunächst der Aufbau des oberen Teils des Sensors 125 mit Bezug auf Figur 3 beschrieben. Der obere Teil enthält eine Bügel-ähnliche Halterung 128 mit U-förmigen Armen 130. Die Halterung 129 ist mit dem Schlitten 123 mittels eines horizontalen Gelenkstiftes 129 gekoppelt, wodurch die Halterung vertikal zu der Oberfläche der Bahn 113 schwenkbar ist. Ein Rad 131 ist frei drehbar auf einer horizontalen Achse 133 befestigt, die sich zwischen den U-förmigen Armen 130 erstreckt, und so bemessen, daß sie auf der Oberfläche der Bahn 113 aufliegt. Die Schwenkbewegung der Halterung 128 in vertikaler Richtung ist von einem Luftzylinder 135 begrenzt, der schwenkbar zwischen dem Schlitten 123 und der Halterung angelenkt ist. Der Luftzylinder 135 ist normalerweise mit Druckluft einer ausreichenden Größe versehen, um das Rad 131 gegen die Oberfläche der Bahn 113 an einer allgemein feststehenden Stelle in der vertikalen Richtung zu positionieren.
Der untere Teil des Sensors 125 enthält, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt wird, allgemein wenigstens zwei Pare von Kraftsensoren, die in den Zeichnungen als Paar 143A und 143B sowie als Paar 144A und 144B bezeichnet sind, sowie einen Verlagerungssensor 145. Die Kraftsensoren und der Verlagerungssensor sind alle fest mit einer Platte 146 verbunden, die an dem unteren Schlitten 124 befestigt ist. Außerdem enthält der untere Teil des Sensors 125, wie die Figuren 3 und 4 zeigen, Paare von Kontaktbauteilen 147A und 147B sowie 148A und 148B, die so genannt sind, weil sie in Kontakt mit der Unterseite der Bahn 113 stehen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Kontaktbauteile 147A und 147B an den freien Enden eines zugehörigen Paares flexibler Kragarmteile 149A und 149B befestigt, deren gegenüberliegende Enden statinär an der Platte 146 mittels Abstandhalter 150 befestigt sind. Auf entsprechende Weise sind die Kontaktbauteile 148A und 148B an den freien Enden eines zugehörigen Paares flexibler Kragarmteile 151A und 151B befestigt, deren andere Enden durch Abstandsbauteile (nicht dargestellt) stationär an der Platte 144 befestigt sind. Das Paar der Kontaktbauteile 147A und 147B fluchtet in Maschinenrichtung miteinander und wird nachfolgend als Maschinenrichtungspaar bezeichnet. Auf entsprechende Weise fluchtet das Paar der Kontaktbauteile 148A und 148B in der Querrichtung und wird nachfolgend als Querrichtungspar bezeichnet.
Wie am besten Figur 3 zeigt, ist das Maschinenrichtungspaar der Kontaktbauteile 147A und 147B mit zugehörigen Kraftsensoren 143A und 143B durch Stifte 148A und 148B verbunden, so daß eine Verlagerung der Kontaktbauteile Kräfte auf die Sensoren über eine Vertikalbewegung der Stifte ausübt. Es versteht sich, daß das Querrichtungspaar der beweglichen Kontaktbauteile 148A und 148B auf entsprechende Weise mit den Kraftsensoren 144A bzw. 144B verbunden ist. In der Praxis sind die Kraftsensoren herkömmliche Piezowiderstandseinrichtungen oder Formänderungsmeßlehren, die elektrische Abgabespannungen proportional vorzugsweise linear, zu den auf die Zellen ausgeübten Kräfte abgeben. Der Verlagerungssensor 145 ist in der Praxis ein herkömmlicher Äbstandssensor, der Abgabespannungen abgibt, die proportional, wiederum vorzugsweise linear, zu der Strecke zwischen dem Verlagerungssensor und der Oberfläche der Bahn 113 sind.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Sensors 125 allgemein beschrieben. Zunächst soll angenommen werden, daß der Sensor 125 so zusammengesetzt ist, daß sowohl das Maschinenrichtungspaar als auch das Querrichtungspaar der Kontaktbauteile angeordnet ist, daß diese gegen die Unterseite der Bahn 113 drücken, und daß das Rad 131 in Kontakt mit der Fläche der Bahn 113 an einem Punkt allgemein in der Mitte zwischen den Kontaktbauteilen der jeweiligen Paare steht und sich allgemein direkt oberhalb des Verlagerungssensors 149 befindet. Außerdem wird zu Zwecken des Verständnisses der bevorzugten Art der Arbeitsweise des Sensors 51 angenommen, daß der Zylinder 135 ausreichend unter Druck steht, daß das Rad 131 so betrachtet werden kann, als habe es eine fixe Position in vertikaler Richtung. In einer derartigen Anordnung funktionieren die Sensoren 146A udn 146B so, daß sie die Größe der Kraft erfassen, mit der die sich bewegende Bahn 113 gegen die beweglichen Kontaktbauteile 147A und 147B drückt, wobei der Verlagerungssensor 149 Änderungen in der Position der Außenfläche der Bahn 113 relativ zu der Platte 146 erfaßt.
Die weitere Arbeitsweise des Sensors 125 wird im Zusammenhang mit Figur 5 erklärt. In diesem Diagramm bezeichnet die Dimension "d" den horizontalen Abstand von dem Kontaktpunkt des Rades 131 mit der Fläche der Bahn 113 zu dem Kontaktpunkt eines der bewegbaren Kontaktbauteile, beispielsweise 147B, mit der Bahn 113. Die Dimension "z" bezeichnet die vertikale Strecke, um die die Oberfläche der Bahn 113 von dem Rad 131 verlagert wird. Obwohl die Dimension "z" im Idealfall konstant ist, wird sie bei der aktuellen Betätigung des Abtastsensors 125 wegen der mechanischen Biegebeanspruchung des Sensors etwas variieren. Um solche Variationen zu kompensieren, wird der Wert "z" durch den Verlagerungssensor 145 überwacht, und ein Signal, dessen Amplitude für die Strecke "z" representativ ist, wird an der Ausgangsstelle des Sensors erzeugt. Wenn die erfaßten Werte für "z" und "d" bekannt sind, kann die Dimension "h" bestimmt werden. Geometrisch stellt die Dimension "h" die Hypothenuse eines Dreiecks dar, dessen Schenkel "d" und "z" sind, und kann so verstanden werden, daß sie allgemein kollinear mit der Oberfläche der Bahn 113 verläuft, die sich von dem ausgewählten Kontaktbauteil zum Kontaktpunkt mit dem Rad 131 erstreckt.
Für einen gegebenen Hub der Bahn 113 kann die Kraft bzw. Spannung in der Bahn 113 entlang der Strecke "h" erfaßt werden als Funktion der Kraft, die von der Bahn 113 auf einen der Kraftsensoren 143A, 143B, 144A oder 144B ausgeübt wird. Wenn somit eine Variable "S" die Kraft in der Bahn 113 entlang der Strecke "d" wiedergibt und "F" die Kraft bezeichnet, die von einem der Sensoren erfaßt wird, wenn das Rad 131 in Kontakt mit der Bahn 113 steht, kann die Beziehung zwischen "S" und "F" aus einem Kraftdreieck abgeleitet und folgendermaßen ausgedrückt werden:
S sinθ = F
wobei θ der Winkel zwischen "d" und "h" ist, wie Figur 5 andeutet. Die obige Gleichung kann umgeschrieben werden zu:
S = F/sinθ.
Da sinθ nahezu gleich dem tanO für kleine Winkel ist, kann die Beziehung zwischen "S" und "F" durch die folgende Näherung ausgedrückt werden:
S = F/tanθ.
Da tanθ das Verhältnis von "z" zu "d" ist, kann die Kraft S in der Bahn 113 ausgedrückt werden durch:
S = Fd/z
Somit kann für praktische Zwecke die Kraft in der Bahn 113 verstanden werden als eine Funktion von drei gemessenen Eigenschaften: Die Verlagerung (z) der Bahn 113, die Anordnung bzw. Verlagerung (d) des Rades 131 relativ zu einem Kraftsensor und die Kraft (F), die von einem der Kraftsensoren erfaßt ist.
In der Praxis sind die Kräfte, die auf das Maschinenrichtungspaar der Kraftsensoren 143A und 143B ausgeübt werden, nicht notwendigerweise dieselben wie die Kräfte, die auf die Querrichtungspaare der Kraftsensoren 143C und 143D ausgeübt werden, wegen der Unterschiede der Kräfte und Spannung in Maschinenrichtung und in Querrichtung. Als Ergebnis dieser Unterschiede können unterschiedliche Kräfte für die Bahn 113 in der Querrichtung und in der Maschinenrichtung bestimmt werden. Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß in der Querrichtung ein Blatt festgehalten ist, jedoch üblicherweise nicht einem wesentlichen Zug ausgesetzt ist. Dennoch kann der Sensor 125 wichtige Kraftmessungen in Querrichtung ausführen, da er im wesentlichen lokalisierte Kräfte durch Verlagerung der Außenfläche des Blattes durch das Rad 131 erzeugt.
Eine alternative Art der Arbeitsweise des Sensors 125 wird nachfolgend beschriebe, wobei der Zylinder 135 unter Druck gesetzt und so gesteuert ist, daß das Rad 131 beweglich ist und nach unten gegen die Bahn 113 mit einer allgemein konstanten Kraft drückt, so daß die Bahn 113 nur eine relativ kleine Strecke in Richtung des Verlagerungssensors 149 bewegt wird, wenn die Bahn 113 unter normaler Spannung steht. Bei dieser Arbeitsweise erfaßt der Verlagerungssensor 149 wiederum Änderungen in der Position "z" der Außenfläche der Bahn 113 relativ zu der Platte 146 und, allgemein gesagt, variiert die Position (z) als eine Funktion der Kraft "S" der Bahn 113. Somit kann unter praktischen Arbeitsbedingungen die Kraft in der Bahn 113 wiederum als eine Funktion von drei gemessenen Eigenschaften ausgedrückt werden:
Der Verlagerung (z) der Bahn (113), der Plazierung (d) des Rades 131 relativ zu einem ausgewählten Kraftsensor und der Kraft (f), die von einem ausgewählten Kraftsensor erfaßt wird.
Die Kraftmessung "S", die durch die oben beschriebene Arbeitsweise des Sensors 125 erfaßt ist, kann verwendet werden, um die Festigkeitseigenschaften der Bahn 113 in Verbindung mit der Erfassung der Verfahrensmeßstellvertreter gemäß Figur 1 vorherzusagen. Die Beziehung der Kraft "S" zu den Verfahrensmeßstellvertretern wird nun in Begriffen der Darstellung der Figur 6 erläutert, deren vertikale Achse Kräfte wiedergibt, die auf eine vorgegebene Fläche der Bahn 113 von dem Sensor 125 aufgebracht werden, und deren horizontale Achse die Formänderung an den selben Abschnitt der Bahn wiedergibt. Hier kann wiederum die Formänderung interpretiert werden als Verlängerung oder "Zug" der Bahn 113 und in der Maschinenrichtung durch fortlaufende Überwachung der Geschwindigkeit der Walzen gemessen werden, über die die Bahn abläuft. In der Querrichtung ist der Zug normalerweise über ein Blatt konstant und braucht daher nicht überwacht zu werden.
In Figur 6 stellen die Kurven A, B und C die Kraft-Verformungs- Relation für verschiedene Arten oder Gütegrade von Papier dar. Dabei stellt die Kurve "A" die Beziehung zwischen der Kraft, die auf eine bestimmte Art von Papier aufgebracht wird, und die Längenänderung dieses Papirs dar. Auf gleiche Weise repräsentiert die Kurve "B" die Beziehung zwischen der Kraft, die auf eine andere Papierart aufgebracht wird, und die Verlängerung dieses Papiers. Bei einem Vergleich der Papierarten oder Papiergüten A und B ist zu sehen, daß eine vorgegebene Kraft auf das Papier B eine größere Verlängerung hervorruft, als dieselbe Kraft auf das Papier A. Die Endpunkte der Kurven A, B und C sind Ausfallpunkt, (d.h. Punkte, an denen die Papiers brechen) und zeigen daher die Festigkeiten der Papierarten an. Aus einem weiteren Vergleich der Papierarten A und B ist zu ersehen, daß die Papierart B weicher ist als die Papierart A, da sie bei einer niedrigeren Kraft bzw. Spannung bricht. Außerdem wird mit Bezug auf Figur 6 darauf hingewiesen, daß die Neigung der Kruven A, B und C den Young's-Modul für verschiedene Gütegrade von Papier darstellen. Beispielsweise ist die Neigung der Kurve A am Punkt "a" der Young's-Modul für diesen Papiergütegrad.
Die Ausfallpunkte für die Papiergütegrade, die in den Kurven in Figur 6 beschrieben sind, sind normalerweise empirisch bestimmt, d.h. durch standardisierte Labormethoden. In der Praxis kann häufig eine zuverlässige Korrelation zwischen Laborergebnissen für verschiedene standardisierte Methode erhalten werden. Beispielsweise sind hochgradig zuverlässige Korrelationen erhalten worden für standardisierte Laborttests wie standardisierte Zugfestigkeits, STFI Drucktests und Mullen-Berstdrucktests.
Da Proben desselben Papiergütegrads allgemein dieselbe Spannungs-Verformungsbeziehung haben, ist aus Figur 6 zu ersehe, daß der Gütegrad eines gegebenen Papiers identifiziert werden kann, wenn die Spannung und die Verformung gemessen werden. Wenn beispielsweise der Spannungspunkt a' und der Verformungspunkt a" für ein gegebenes Papier gemessen werden, kann der Punkt "a" bestimmt werden, und außerdem kann die Probe dahingehend identifiziert werden, daß sie Spannungs-Verformungs-Eigenschaften hat, die nur für den durch die Kure "A" in diesem Falle dargestellten Papiergütegrad zugehörig ist.
Es versteht sich ferner, daß die Ausfallpunkte für die durch die Kurven A, B und C in Figur 5 abgebildeten Papierqualitäten nicht notwendigerweise für eine gegebene Papierqualität konstant sind, sondern daß sie stattdessen in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften variieren können, die im Zusammenhang mit Figur 1 diskutiert sind (d.h. Fasereigenschaften und strukturelle Anordnung der Fasern). In der Praxis kann für eine gegebene Papierherstellungsmaschine und Papierqualität die funktionale Beziehung der Blattfestigkeit zu den Verfahrenmeßstellvertretern bestimmt werden unter Verwendung empirischer Methoden und Techniken mehrfacher Regressionsanalysen, was nachfolgend noch beschrieben wird.
Figur 8 zeigt ein System, das Ausgangssignale zu Kontrollzwecken abgibt, die auf den Verfahrensmeßstellvertretern basieren. In Figur 8 sind einem Computer 201 zugeführte Signale abgebildet, die wenigstens vier der sieben Verfahrensmeßstellvertreter repräsentieren. Für das hergestellte Blattmaterial enthält der Computer 201 auch Eingangssignale, die Festigkeitseigenschaften anzeigen, die durch Standardqualitätslabortechniken bestimmt werden. Der Computer 201 kann ein herkömmlicher Digitalcomputer sein, der mit Algorithmen für mehrfache Rückbildungsanalysen programmiert sein kann. Da die Verfahrensmeßstellvertreterinformation normalerweise in analoger Form vorliegt, muß eine solche Information üblicherweise zur Verwendung durch den Computer 201 digitalisiert werden. Eine solche Digitalisierung kann durch eine herkömmliche Analog/Digital-Wandlereinrichtung ausgeführt werden, die nicht dargestellt ist. Mit den angezeigten Eingangswerten und konventionell programmiert mit Korrelation und Regressionsalgorithmen arbeitet der Digitalcomputer 201, um Korrelationen zwischen den Verfahrensmeßstellvertretern und im Labor bestimmten Festigkeitswerten an ausgewählten Stellen in Querrichtung der Bahn 113 zu bestimmen.
Wenn die funktionalen Beziehungen unter Verwendung der Herstellungsmeßvertreter von dem Computer 201 gemäß Figur 8 bestimmt sind, kann die Papierherstellung durch Überwachung der Verfahrensmeßstellvertreter gesteuert werden. Nachdem beispielsweise eine bestimmte Papierqualität identifiziert ist, arbeitet der Sensor 125 in Verbindung mit anderen ausgewählten Sensoren, um Verfahrensmeßstellvertreter als Digitaleingangssignale dem Computer 201 zuzuführen, der schließlich Ausgangssignale abgibt, die Änderungen in der Festigkeit der Bahn 113 anzeigen. D.h. der Computer 201 kann Ausgangssignale abgeben, die Abweichungen der errechneten Festigkeit des hergestellten Blattmaterials von dem gewünschten Festigkeitswerts an jeder Stelle in Querrichtung repräsentieren. Die Ausgangssignale können auch verwendet werden, um die Papierherstellungsmaschine zu steuern, indem Einstellungen an verschiedenen Querschnittstellen gemacht werden.
Obwohl das System gemäß Figur 8 wichtige Messungen der Festigkeit der Bahn 113 unter Verwendung von weniger als allen sieben in Figur 7 aufgelisteten Parametern ermöglicht, müssen unabhängige Verfahrensmeßstellvertreter für wenigstens vier der Parameter normalerweise erhalten werden, um eine hinreichende Genauigkeit für Steuerungszwecke bei Prozessen zu erreichen, bei denen sich die Bedingungen wesentlich ändern. Um Funktionen der Verfahrensmeßstellvertreter zu erhalten werden herkömmliche Techniken der Standardregressionsanalyse verwendet. Eine Form einer solchen Regressionsgleichung ist beispielsweise die folgende "Mullen"-Festigkeitsgleichung.
SMU= A*(JW) + B*(VAC) + C*(S) + D*(MOI) + E*(%CHEM) + F(BW) + G*(p) + H
Dabei sind:
SMU die "Mullen"-Festigkeit des Papiers;
A, B, C, D, E, F , G und H Rückbildungsanpassungskonstanten
JW = Strahl-Draht-Geschwindigkeit;
FAC = Gautschvakuum
S = Zugspannung in der Bahn;
MOI = Prozent Feuchtigkeit;
%Chem = Prozent chemischer Zellstoff;
BW = Basisgewicht und
p = Dichte
Die Werte der Konstanten A bis H in der obigen Gleichung hängen allgemein von der jeweiligen Papierherstellungsmaschine und der Papierqualität ab. Wenn die Papierqualität wesentlich geändert wird, müssen die Konstanten normalerweise neu errechnet werden.
Gemäß der vorstehenden Gleichung kann die Mullen-Festigkeit an ausgewählten Stellen in Querschnittsrichtung durch Abtasten quer über eine Bahn während der Produktion errechnet werden. Ein Satz von Mullen-Festigkeitsdaten für eine komplette Abtastung einer Bahn gibt ein "Profil" der Bahn. Für Prozesteuerzwecke ist es normalerweise wichtig, die Querschnittsstellen jeder Komponentenmessung eines Profils zu identifizieren.
In der Praxis geben die Festigkeitsprofilmessungen, die auf die oben beschriebene Weise erhalten sind, Steuerungsvorteile während des Startens, bei Qualitätsänderungen und Prozeßstörungen. Die Festigkeitsprofilmessungen können auch verwendet werden, um Blattvariatioen in der Maschinenrichtung während einer gleichbleibenden Arbeitsweise zu reduzieren, indem beispielsweise Kontrollsignale abgegeben werden, um den Zug in der Maschinenrichtung einzustellen. Als ein weiteres Beispiel können Festigkeitsprofilmessungen während der Zeitungspapierproduktion verwendet werden, um das Beschickungsgemischverhältnis von Groundwood zu chemischem Zellstoff einzustellen und die Papierfestigkeit zu steuern sowie die Papierherstellungsgeschwindigkeiten zu erhöhen. Das obige System und die obige Methode können beliebige Indices der Festigkeit bereitstellen, die Festigkeitsvergleiche zwischen Papierproduktenunabhängigkeit von standardisierten Systemen erlauben.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben ist, wird diese Offenbarung nicht als Begrenzung betrachtet. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen eröffnen sich dem Fachmann, der die vorstehende Offenbarung gelesen hat. Die beigefügten Ansprüche sollen alle alternativen Ausführungsformen abdecken, und Äquivalente fallen in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Zerstörungsfreies Verfahren zum Bestimmen der Stärke von kontinuierlichen Papierblattmaterialien während der Herstellung des Papiers in einer Papierherstellungsmaschine durch Meßparameter, die Eigenschaften angeben, aus denen die Papierstärke bestimmt werden kann, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Messen von Verfahrensmeßstellvertretern, die mit wenigstens vier Eigenschaften verbunden sind, die einschließen (a) die Stärke einzelner Fasern, (b) die Längenverteilung der Fasern, (c) die Menge an Fasern, (d) die Verteilung der Faser, (e) die Ausrichtung der Fasern, (f) die Anzahl der Verbindungen zwischen Fasern und (g) die Verbindungsstärke zwischen den Fasern;

für die ausgewählte Papierherstellungsmaschine und den Papiergrad: Berechnung von Korrelationen der Stellvertretermessungen mit Labortests der Papierstärke; und

während der Herstellung von Papier in der Papierherstellungsmaschine: Messen der Stellvertretermeßwerte und, basierend auf den festgestellten Korrelationen, Berechnen der vorgesagten Stärke des von der Papierherstellungsmaschine hergestellten Papiers.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von einzelnen Fasern angibt, das Feststellen des Verhältnisses von Weichholz zu Hartholz in dem der Papierherstellungsmaschine zugeführten Zellstoff umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von einzelnen Fasern angibt, das Feststellen des Verhältnisses verschiedener, der Papierherstellungsmaschine zugeführter Zellstoffe umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von einzelnen Fasern angibt, das Feststellen des Zuges in die Richtung der Maschine umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von einzelnen Fasern angibt, außerdem das Feststellen der an die trocknenden Fasern angelegten Zugspannung umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Feststellens der an die trocknenden Fasern angelegten Zugspannung das Feststellen des Elastizitätsmoduls in der Querrichtung und in Richtung der Maschine umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Längenverteilung der Fasern angibt, das Feststellen des Gautschwalzenvakuums in der Papierherstellungsmaschine umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Längenverteilung der Fasern angibt, das Feststellen der optischen Streuung von gegen das Blattmaterial gerichteter Infrarotstrahlung umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Längenverteilung der Fasern angibt, das Feststellen des trockenen Basisgewichts von Papierblattmaterial in der Papierherstellungmaschine umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Längenverteilung der Fasern angibt, das Feststellen der Transmissivität des Papierblattmaterials umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Längenverteilung der Fasern angibt, das Feststellen des Verhältnisses der Strahl-zu-Draht-Geschwindigkeit für die Papierherstellungsmaschine umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Orientierung der Fasern angibt, das Feststellen von Feuchtigkeit sowohl in der Richtung der Maschine als auch in der Querrichtung der Papierherstellungsmaschine umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Anzahl von Verbindungen zwischen Fasern angibt, das Feststellen der Dichte des Papierblattmaterials in der Papierherstellungsmaschine umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Dichte durch Messen des Basisgewichts und der Dicke des in der Papierherstellungsmaschine erzeugten Blattmaterials festgestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von Verbindungen zwischen Fasern angibt, das Feststellen des Verhältnisses verschiedener, der Papierherstellungsmaschine zugeführter Zellstoffe umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von Verbindungen zwischen Fasern angibt, das Feststellen des Verhältnisses von Weichholz zu Hartholz in dem der Papierherstellungsmaschine zugeführten Zellstoff umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von Verbindungen zwischen Fasern angibt, das Feststellen des Feuchtigkeitsgehalts des von der Papierherstellungsmaschine hergestellten Blattmaterials umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zerstörungsfreien Messens des Parameters, der die Stärke von Verbindungen zwischen Fasern angibt, das Feststellen der Menge von dem der Papierherstellungsmaschine zugeführten Zellstoff zugeführten Additiven umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Messens des Elastizitätsmoduls durchgeführt wird durch eine sensorvorrichtung des Abtasttyps, die eine Trägervorrichtung, um eine Seite des sich bewegenden Blattes an einer lokal nicht gehaltenen Stelle zu halten, eine Ablenkvorrichtung, um das Blatt innerhalb der lokal nicht gehaltenen Stelle abzulenken, eine erste Sensorvorrichtung zum Feststellen von Kräften, die mit der Kraft verbunden sind, mit der das Blatt innerhalb des lokalisierten Bereiches abgelenkt wird, und eine zweite Sensorvorrichtung zum Feststellen des Weges, um den das Blatt innerhalb des lokalisierten Bereiches abgelenkt wird, umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, das außerdem den Schritt des Korrellierens der Ausgangssignale der ersten und zweiten Sensorvorrichtungen mit einem standardisierten Maß für die Stärke des Blattmaterials an ausgewählten Stellen in der Querrichtung umfaßt.