DE3884426T2

DE3884426T2 - Ausrichtungssystem mit einem Zahnrad.

Info

Publication number: DE3884426T2
Application number: DE88400566T
Authority: DE
Inventors: Jorma Juhani Orkosalo
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1987-03-13
Filing date: 1988-03-10
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2008-03-11
Also published as: EP0282414A3; JPS63288292A; EP0282414B1; CA1326523C; FI881179A; FI93491B; US4770538A; FI93491C; KR880011586A; EP0282414A2; DE3884426D1; FI881179A0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kennzeichnug der Qualität eines Papierbogens und im besonderen eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Papierbogen-Formationssensors.
Papier wird aus einer Aufschwemmung von Fasern hergestellt. Diese Fasern bestehen gewöhnlich aus Zellstoff, der hauptsächlich aus Holz und Hadern gewonnen wird. Die Gleichmäßigkeit der Verteilung dieser Fasern in einem Papierbogen ist für die optischen, mechanischen und druckenden Eigenschaften des Bogens von ausschlaggebender Bedeutung. Es ist daher eines der Hauptziele für einen Papierhersteller, einen Papierherstellungsprozeß zu entwickeln und die Parameter des Prozesses einzustellen, um eine möglichst gleichmäßige "Flächenmasse" oder Verteilung dieser Fasern in dem fertigen Bogenmaterial zu erreichen. In der Technik der Papierherstellung bezieht sich der Begriff "Flächenmasse" auf das Gewicht der papierbildenden Fasern pro Flächeneinheit der Bogenoberfläche. Wenn die Fasern gleichförmig verteilt sind und das Papier eine gleichmäßige Flächenmasse besitzt, wird der Papierbogen seine größte Festigkeit haben, wird glatt aussehen und sich anfühlen und wird für scharf umrissene Drucklinien aufnahmefähig sein. Umgekehrt werden lokale Abweichungen in der Flächenmasse einen Bogen mit schwacher Festigkeit ergeben. Dies liegt daran, daß Spannung in den Bereichen des Bogens mit weniger Fasern konzentriert wird, so daß diese Bereiche zuerst reißen. Außerdem können Bogen mit ungleichmäßiger Flächenmasse rauh aussehen und sich anfühlen und werden gedruckte Linien verwischen.
Um die Qualität eines Papierbogens zu kennzeichnen, beziehen sich Papierhersteller auf die "Formation" des Bogens. Es gibt offenbar keine Standarddefinition von "Formation". Für den vorliegenden Zweck wird "Formation" jedoch als die Art und Weise definiert werden, in der Fasern, die einen Papierbogen bilden, innerhalb des Bogens verteilt, angeordnet und vermischt sind. In allen Papierbögen sind die bogenbildenden Fasern, wenigstens zu einem bestimmten Grad, ungleichmäßig in "Flocken" genannten Bündeln verteilt. Jedoch sagt man, daß Papierbögen mit allgemein gleichmäßig verteilten, verschlungenen Fasern eine gute Formation haben. Umgekehrt, wenn die den Bogen bildenden Fasern unannehmbar ungleichmäßig in Flocken verteilt sind, ist das Papier körnig anstatt gleichmäßig und man sagt daß es eine schlechte Formation besitzt.
Es gibt eine Vielfalt von Vorrichtungen, um verschiedene Eigenschaften der Formation von Papierbögen zu messen. Bei einer solchen Vorrichtung, Flächenmassensensor (oder Mikrodensitometer) genannt, wird ein Lichtstrahl durch den Bogen geschickt, wenn der Bogen den Strahl senkrecht durchläuft. Die Intensität des Strahls wird durch einen Lichtdetektor gemessen, nachdem der Strahl den Papierbogen durchlaufen hat. Dieser Lichtdetektor ist auf der gegenüberliegenden Seite des Bogens von der Lichtquelle aus gelegen. Der Lichtdetektor erzeugt ein elektrisches Signal, das die Stärke des übertragenen Strahls anzeigt. Wenn die Flächenmasse des Teils des Bogens, durch den der Lichtstrahl läuft, zunimmt, nimmt die Intensität des durch den Bogen geschickten Strahls ab. Das elektrische Signal von dem Lichtdetektor zeigt daher die Flächenmasse des Bogens an.
Wie zuvor erwähnt, neigen die jeden Papierbogen bildenden Fasern dazu, sich zu Flocken zusammenzuscharen. In jedem Bogen werden diese Flocken eine Vielfalt von Größen aufweisen. Wenn sich das Papier senkrecht durch den Lichtstrahl bewegt, wird daher das durch den Lichtdetektor erzeugte elektrische Signal mit einer Mehrzahl von Frequenzen moduliert werden, die der Verteilung der Flockengrößen und auch der Geschwindigkeit, mit der sich der Papierbogen durch den Lichtstrahl bewegt, entsprechen. Wenn die Geschwindigkeit des Bogens zunimmt, nimmt die Frequenz, mit der die Flocken das elektrische Flächenmassensignal modulieren, zu. Ähnlich modulieren kleinere Flocken das Signal mit höheren Frequenzen als große Flocken. Die Amplitude dieser Modulationen entspricht den lokalen Abweichungen in der Flächenmasse oder, was das gleiche bedeutet, den lokalen Abweichungen in der Verteilung der die Flocken bildenden Fasern.
Bei einer Methode zeigt die formationskennzeichnende Vorrichtung die mittlere Spitze-Spitze-Abweichung in dem durch einen Flächenmassensensor erzeugten elektrischen Signal an. Man sagt, daß der mittlere Spitze-Spitze-Wert die Größe der Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens anzeigt. Aus unten erörterten Gründen kann jedoch diese Methode eine falsche Anzeige der Bogenformation liefern.
In vielen Fällen wird der Papierhersteller einen Bogen mit einer möglichst gleichen Faserverteilung, d.h. mit einer guten Formation, herzustellen wünschen. Um dies zu erreichen, wird der Papierhersteller nicht nur die Größe der Abweichungen in der Flächenmasse, sondern auch die Größenverteilung der Flocken wissen wollen. Der Papierhersteller wird ebenso die Festigkeit der Teile des Bogens mit der niedrigsten Flächenmasse wissen wollen. Die zuvor beschriebene Methode, die nur den mittleren Spitze-Spitze-Wert des Flächenmassensignals hervorbringt, liefert jedoch keine Anzeige der Größe der Flocken, die diese Abweichungen in dem Flächenmassensignal erzeugen, oder der Festigkeit der schwächsten Bereiche des Bogens. Daher gelingt es dieser Methode nicht, die Bogenformation vollstaändig zu charakterisieren.
Bei einem anderen Verfahren zur Charakterisierung der Bogenformation wird eine Beta-Röntgenaufnahme eines Musterpapierbogens gemacht. Dann wird Licht durch das Röntgenbild geleitet oder davon reflektiert. Veränderungen in der Intensität eines schmalen Strahls dieses Lichts werden in ein elektrisches Signal umgewandelt, wenn sich das Röntgenbild mit gleichmäßiger Geschwindigkeit senkrecht zu dem Strahl bewegt. Eine graphische Darstellung der Amplitude der Modulationen dieses elektrischen Signals wird als eine Funktion der Wellenlängen, die das Signal ausmachen, erzeugt. Diese Darstellung wird als Wellenlängen-Leistungsspektrum bezeichnet. Fig. 1 zeigt eine solche Darstellung für einzelne Papierklassen mit guter, mittlerer und schlechter Formation. Diese Technik ist sehr ausführlich von Norman und Wahren in einer Anzahl von Schriften, einschließlich ihrer Symposiumsschrift "Mass Distribution and Sheet Properties of Paper", erörtert worden.
Für einige kommerzielle Papierherstellungsgegebenheiten kann die Methode von Norman und Wahren ungeeignet sein. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht bei Wellenlängen unter etwa einem Millimeter wenig Unterschied zwischen den Wellenlängen-Leistungsspektren eines gut gebildeten und eines schlecht gebildeten Bogens. Von Wellenlängen von etwa einem Millimeter an bis zweiunddreißig Millimeter bestehen jedoch erhebliche Unterschiede. Die Methode von Norman und Wahren erzeugt daher mehr Information als für den Papierhersteller erforderlich sein mag, um die Formation eines Bogens zu bestimmen. Ein anderer möglicher Nachteil dieser Methode besteht darin, daß sie so viel Information liefert, daß ihre Interpretation für den Nichtfachmann schwierig sein kann. Bei vielen kommerziellen Herstellungsgegebenheiten mag der Papierhersteller eine Vorrichtug und eine Methode bevorzugen, die ihn oder sie anstelle einer ganzen spektralen Darstellung mit nur wenigen Zahlen versorgt, die zusammen die Formation des Bogens vollständig kennzeichnen. Außerdem ist dieses Verfahren, wie das zuvor beschriebene Verfahren zur Messung des mittleren Spitze-Spitze-Werts eines Flächenmassensignals, nicht in der Lage, dem Papierhersteller eine Anzeige der Festigkeit der schwächsten Teile des Bogens zu liefern. Auch wenn beide Verfahren gleichzeitig benutzt werden, werden daher dem Papierhersteller noch nicht alle erforderlichen Informationen zur Verfügung gestellt, um die Bogenformation vollständig zu charakterisieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung gerichtet, die eine Gruppe elektrischer Ausgabesignale liefern, die die folgenden Bogenformationsparameter anzeigen: (1) die Größe der durch Flocken von vorbestimmten Mindestgrößen oder Größenbereichen verursachten Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens; (2) die Festigkeit des schwächsten Teils oder Teilen des Bogens, und (3) die Größe der den Bogen bildenden Flocken. Diese Ausgabesignale können in numerische Werte umgewandelt und dem Papierfabrikbediener angezeigt werden. Der Bediener kann dann diese numerischen Werte benutzen, um die Formation des hergestellten Bogens zu überwachen und die Parameter des Papierherstellungsprozesses einzustellen, um einen Papierbogen mit den gewüschten Eigenschaften zu erhalten. Alternativ können diese elektrischen Ausgabesignale in einen Computer oder eine andere Einrichtung eingespeist werden, die dann diese Ausgabesignale verwenden würden, um den Papierherstellungsprozeß automatisch einzustellen, um Papier mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Flächenmassensensor zur genauen Messung lokaler Abweichungen in der Flächenmasse eines Papierbogens. Der Sensor umfaßt eine Lichtstrahlquelle, die sich auf einer Seite des Bogens befindet, und einen "Empfänger", der sich auf der anderen Seite des Bogens gegenüber der Lichtstrahlquelle befindet. Der Empfänger umfaßt einen Lichtleiter, z.B. einen dünnen Saphirstab. Ein Ende des Stabs liegt an dem Bogen an der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite des Bogens an. Wenn der Bogen senkrecht zu dem Lichtstrahl durch den Sensor läuft, wird der Bogen gegen das Ende des Stabs gehalten, so daß nur Licht, das durch den Bogen läuft, in den Stab eintreten kann. Dieser Stab richtet wenigstens einen Teil des Lichts auf eine lichtermittelnde Einrichtung, z.B. eine Photodiode. Die Photodiode erzeugt dann einen elektrischen Ausgang, der der Intensität des Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des Bogens proportional ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Zerhackerrad-Ausrichtvorrichtung, die die Signalverarbeitung des Flachenmassensensors kalibrieren kann. Um die Signalverarbeitung zu kalibrieren, wird ein drehbares lichtundurchlässiges Rad mit wenigstens einem Schlitz in dem Pfad des Lichtstrahls positioniert. Das drehende Rad sperrt abwechselnd den Lichtstrahl oder erlaubt dem Strahl durch den (die) Schlitz(e) an den Detektor zu gelangen. Durch Drenen des Rads mit einer vorbestimmten Drehzahl wird das von dem Lichtdetektor erzeugte Signal mit einer vorbestimmten Frequenz, die von der Drehzahl und der Zahl der Schlitze abhängt, moduliert. Das Modulationssignal kann dann benutzt werden, um die Papiersignalgeschwindigkeit einzustellen, so daß die Tiefpaßfilter aller Kanäle Signale an die zugehörigen RMS-AC/DC-Wandler übertragen werden. Dann können durch Eingeben fortlaufend niedrigerer Papiergeschwindigkeiten die Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter kalibriert werden. Nach der Kalibrierung dreht sich ein Elektromagnet und hält das Rad in einer Stellung, bei der der Lichtstrahl unbehindert von dem Rad durch einen der Schlitze laufen kann.
US-A-3 641 349 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines sich bewegenden Papierbogens, wobei ein Zerhackerrad dazu dient, einen Lichtstrahl auf seinem Weg von einer Lichtquelle zu einer Detektoreinheit periodisch zu unterbrechen.
In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß GB-A-2 148 527 eine ganz andere Art von Vorrichtung beschreibt, die sich auf eine Schaltanordnung für eine zur Anzeige von Buchstaben oder Zahlen benutzte Lichtmatrix bezieht. Diese Schaltanordnung wird durch Plazieren einer drehbaren Scheibe mit einem Loch zwischen optischen Fasern erzielt. Im Betrieb wird die Scheibe um 180º zwischen einer "Aus"- und einer "Ein"-Stellung geschaltet.
Bei einer Ausführung umfaßt die erfindungsgemäße Zerhackerrad-Ausrichtvorrichtung (a) eine Lichtstrahlquelle; (b) einen Lichtdetektor zum Ermitteln des Lichstrahls; (c) ein lichtundurchlässiges Zerhackerrad bestehend aus einem Material mit einer größeren magnetischen Permeabilität als Luft, wobei das Rad wenigstens einen radialen Schlitz hat, der sich zum Radumfang hin erstreckt, worin das Rad senkrecht zu dem Lichtstrahl und in dessen Weg angeordnet ist, so daß, wenn sich das Rad dreht, der Lichtstrahl durch das lichtundurchlässige Rad abwechselnd blockiert wird oder durch den Schlitz von der Lichtstrahlquelle zu dem Lichtdetektor fließen kann; (d) eine Einrichtung zum Antreiben des Zerhackerrads mit einer vorbestimmten Drehzahl, und (e) einen Elektromagnet, wobei wenigstens ein Pol des Magneten an den Radumfang angrenzend angeordnet ist, worin der Elektromagnet, die Lichtstrahlquelle und der Lichtdetektor zueinander so angeordnet sind, daß eine Erregung des Elektromagneten den Schlitz in dem Weg des Lichtstrahls positioniert, so daß der Strahl von dem Rad unbehindert von der Lichtstrahlquelle zu dem Lichtdetektor fließt.
Bei einer anderen Ausführung hat die Zerhackerrad-Ausrichtvorrichtung eine Vielzahl radialer Schlitze und die Breite des Elektromagnetpols am Radumfang ist gleich dem Abstand zwischen aneinandergrenzenden Schlitzen am Radumfang. Bei einer weiteren Ausführung sind der Nord- und der Südpol des Elektromagneten an gegenüberliegenden Seiten des Zerhackerrads angeordnet,
Wenn der Papierbogen den Flächenmassensensor durchläuft, erzeugen lokale Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens Veränderungen in der Intensität des durch den Bogen gesandten Lichtstrahls. Die lichtermittelnde Einrichtung im Empfängerteil des Sensors erzeugt ein elektrisches Signal, das proportional der Intensität des gesendeten Lichtstrahls und somit umgekehrt proportional der Flächenmasse des Teils des Bogens ist, durch den der ermittelte Teil des Strahls hindurchgeht. Weil Papier aus Flocken einer Vielfalt von Größen besteht, wird das elektrische Signal von dem Sensor mit einer Anzahl von Frequenzen moduliert, wenn der Papierbogen zwischen der Lichtquellen- und der Empfängerhälfte des Sensors hindurchläuft. Diese Frequenzen hängen sowohl von der Geschwindigkeit, mit der das Papier den Sensor durchläuft, als auch von der Größe der verschiedenen Flocken, die den Bogen bilden, ab. Die Signalverarbeitungsschaltungen der vorliegenden Erfindung berücksichtigen jedoch Änderungen in der Geschwindigkeit, mit der das Papier den Sensor durchläuft. Die Ausgabesignale, die die Formation kennzeichnen, sind daher unabhängig von der Papiergeschwindigkeit.
Die Signalverarbeitungsschaltung der vorliegenden Erfindung hat eine Vielzahl elektrischer Kanäle. Jeder Kanal verarbeitet Flächenmassensignale von dem Flächenmassensensor, die einer anderen vorbestimmten Minimalflockengröße und Flockengrößen entsprechen, die größer als dieses Minimum sind. Dies wird durch Anbringen eines Tiefpaßfilters am Eingangsende jedes Kanals erreicht. Das Signal von dem Flächenmassensensor wird in jedes dieser Tiefpaßfilter geleitet. Das Tiefpaßfilter jedes nachfolgenden Kanals hat jedoch eine Grenzfrequenz, die niedriger als die des Tiefpaßfilters des vorangehenden Kanals ist. Außerdem ist die Grenzfrequenz für jedes dieser Tiefpaßfilter veränderbar und wird gesteuert, um proportional der Geschwindigkeit zu sein, mit der das Papier den Sensor durchläuft. Die Grenzfrequenz für das Tiefpaßfilter jedes Kanals entspricht daher Flocken einer einzelnen vorbestimmten Minimalgröße und fährt fort, Flocken dieser vorbestimmten Minimalgröße zu entsprechen, auch wenn die Geschwindigkeit, mit der das Papier den Sensor durchläuft, verändert wird.
Der Ausgang jedes Tiefpaßfilters wird zu einer separaten AC/DC-Umwandlungsschaltung geleitet, die das gefilterte Signal von dem zugehörigen Tiefpaßfilter in einen DC-Ausgang umwandelt, der dem Effektivwert (nachfolgend "RMS") des Signals von dem Tiefpaßfilter proportional ist. Der Ausgang jedes AC/DC-Wandlers zeigt daher die Größe der Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens an, die durch Flokken einer bestimmten Minimalgröße (das sind die Flocken, die das Flächenmassensignal mit einer Frequenz gerade unterhalb der Grenzfrequenz modulieren) und aller Flocken, die größer als diese Minimalgröße sind, erzeugt werden.
Außerdem kann das Signal von dem Tiefpaßfilter des ersten Kanals (das Tiefpaßfilter des ersten Kanals hat die höchste Grenzfrequenz) zu einer Spitzendetektorschaltung geführt werden. Diese Schaltung kann ausgeführt werden, um die maximale Intensität des Flächenmassensignals über einer vorbestimmten Papierlänge, die den Flächenmassensensor durchläuft, oder den Mittelwert verschiedener Signalspitzen anzuzeigen. Ein stärker übertragener Lichtstrahl entspricht einer niedrigeren Flächenmasse. Wenn der Spitzendetektor eingerichtet ist, die maximale Intensität des Flachenmassensignals anzuzeigen, kennzeichnet daher die Größe des Ausgangs der Spitzendetektorschaltung die Festigkeit des schwächsten Punkts des Bogens. Wenn die Spitzendetektorschaltung eingerichtet ist, den Mittelwert verschiedener Signalspitzen anzuzeigen, kennzeichnen der Ausgang dieser Schaltung alternativ einen Mittelwert der Festigkeiten verschiedener schwächster Punkte in dem Bogen.
Ferner kann das Signal von dem Tiefpaßfilter des ersten Kanals auch zu einer Flockengrößen-Meßschaltung geführt werden. Die Flockengrößen- Meßschaltung enthält eine vergleichsschaltung, die den Wert des Signals von dem Ausgang dieses Tiefpaßfilters mit einem Wert vergleicht, der die mittlere Flächenmasse des Bogens anzeigt. Der Ausgang der Vergleichsschaltung gibt die Rate an, mit der das Signal vom dem Tiefpaßfilter des ersten Kanals einen Wert erreicht, der der mittleren Flächenmasse des Bogens entspricht. Wenn das Signal von dem Tiefpaßfilter des ersten Kanals nur relativ selten die Linie kreuzt, die der mittleren Flächenmasse entspricht, dann besteht der Bogen aus Flocken relativ großer Größe. Alternativ besteht der Bogen aus relativ kleinen Flocken, wenn das Flächenmassensignal häufig die mittlere Flächenmassenlinie kreuzt. Da die Geschwindigkeit, mit der der Papierbogen den Flächenmassensensor durchläuft, bekannt ist, kann daher die Flockengrößen-Meßschaltung aus der Bogengeschwindigkeit und dem Ausgang der Vergleichsschaltung die Größe der den Bogen bildenden Flocken berechnen.
Alle drei oben erörterten Parameter -- die Größe der Abweichung in der Flächenmasse, die Festigkeit des schwächsten Teils oder der schwächsten Teile des Bogens und die Flockengröße -- beziehen sich auf die Formation oder Gleichmäßigkeit der den Papierbogen ausmachenden Fasern. Da, wie zuvor erwähnt, die Formation eines Papierbogens von ausschlaggebender Bedeutung für seine optischen, mechanischen und drukkenden Eigenschaften ist, kann der Papierhersteller die drei Arten elektrischer Ausgabesignale der vorliegenden erfinderischen Vorrichtung hilfreich benutzen, um eine gleichmäßige Faserverteilung und damit einen gut geformten Papierbogen zu erhalten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt Wellenlängen-Leistungsspektren verschiedener unterschiedlicher Papierklassen.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung bes Flächenmassensensors der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Draufsicht einer Ausführung eines Zerhackerrads zur Kalibrierung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführung der Schaltung der vorliegerden Erfindung, die benutzt wird, um Signale von dem Flächenmassensensor von Fig. 2 zu verarbeiten.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführung eines Zerhackerrads zusammen mit eine Vorrichtung, um das Zerhackerrad außerhalb des Wegs des Lichtstrahls auszurichten.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

A. Flächenmassensensor

Fig. 2 zeigt eine zur Zeit bevorzugte Ausführung des Flächenmassensensors 10 der vorliegenden Erfindung. Dieser Sensor 10 kann als aus zwei Hälften, einer "Quellen"-Hälfte 12 und einer "Empfänger"-Hälfte 14, bestehend angesehen werden. Die Quellenhälfte 12, angeordnet an einer Seite des Papierbogens 16, richtet einen Lichstrahl durch den Bogen 16, dessen Formation zu bestimmen ist. Die Empfängerhälfte 14 ist an der gegenüberliegenden Seite des Bogens 16 angeordnet und erzeugt ein elektrisches Signal, das der Intensität des Lichts, das durch den Bogen 16 geschickt wird, proportional ist. Die Quellenhälfte 12 umfaßt eine Lichtquelle 18, z.B. eine hochintensive Glühlampe 20, und einen Reflektor 22, um den Lichtstrahl von der Lampe 20 auf den Bogen 16 zu richten. Wenn sich das Licht in Richtung auf den Bogen 16 fortbewegt, durchläuft es einen Diffusor 24, der die Richtung der Photonen zerstreut, wenn der Strahl ihn durchläuft. Es ist wichtig, eine diffuse Lichtquelle zu verwenden. Wenn eine nichtdiffuse Lichtquelle benutzt wird, kann die Empfängerhälfte 14 des Sensors 10 Veränderungen in der Intensität des gesendeten Strahls, die durch Veränderungen im Reflexionsvermögen der Bogenoberfläche für aus einer bestimmten Richtung kommendes Licht verursacht werden, anstelle von Veränderungen in der übertragenen Lichtintensität, die durch lokale Abweichungen in der Flächenmasse des Bogen 16 verursacht werden, messen.
Die Empfängerhälfte 14 des Sensors 10 umfaßt einen Saphir-Lichtleiter 26 von 1 mm Durchmesser, um einen kleinen Fleck des diffusen Lichtstrahls, der durch den Bogen 16 geschickt wird, auf ein Linsensystem 28 zu richten. Dieses Linsensystem 28 fokussiert das Licht von dem Lichtleiter 26 auf eine lichtempfindliche Silizium-Photodiode 30. Die Photodiode 30 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das der Intensität des Flecks des übertragenen Lichts proportional ist.
Es ist wichtig, daß der Bogen 16 fest gegen das Ende des Lichtleiters 36 gehalten wird, wenn der Bogen den Sensor 10 durchläuft, so daß jedes auf das Ende des Lichtleiters 36 fallende Licht, den Bogen 16 durchlaufen haben muß. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Quellenhälfte des Formationssensors 10 mit "Rutschplatten" genannten Vorsprüngen 32 an der dem Lichtleiter 26 gegenüberliegenden Seite gebildet. Außerdem erstreckt sich das Ende des Lichtleiters 36 in Richtung auf den Bogen 16 und ist durch eine weitere Rutschplatte 34, die den Lichtleiter 26 umgibt, geschützt, so daß der Papierbogen 16, der sich in Richtung der Pfeile 38 zwischen der Quellen- und der Empfängerhälfte des Sensors 10 fortbewegt, durch die Rutschplatten 32, 34 gegen das Ende des Lichtleiters 36 gedrückt wird.
Wenn der Papierbogen 16 zwischen den Rutschplatten 32, 34 hindurchläuft und daran und an dem Ende des Lichtleiters 36 reibt, wird das Papier dazu neigen, die Rutschplatten und das Ende des Lichtleiters 36 abzutragen. Die Rutschplatten 32, 34 sind daher aus abriebfestem Material, z.B. einer Stahllegierung, hergestellt, und der Lichtleiter 26 besteht aus Saphir oder einem anderen ähnlich durchsichtigen, aber abriebfesten Material.

B. Signalverarbeitungsschaltung

Wie zuvor erwähnt, erzeugt der Flächenmassensensor 10 ein elektrisches Signal, dessen Größe der Flächenmasse des Teils des Bogens 16, durch den der ermittelte Fleck des Lichtstrahls übertragen wird, umgekehrt proportional ist. Der Bogen 16 wird aus Flocken gebildet, so daß sich die übertragene Strahlintensität und somit das Sensorsignal ändert, wenn der Papierbogen 16 den Sensor 10 durchläuft. Das Sensorsignal wird dann verstärkt und das verstärkte Sensorsignal wird der Signalverarbeitungsschaltung zugeführt. Diese Schaltung ist vorgesehen, um das Sensorsignal zu verarbeiten, um elektrische Ausgabesignale zu liefern, die anzeigen: (1) Die Größe der Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens, verursacht durch Flocken vorbestimmter Minimalgrößen oder Größenbereiche; (2) die Festigkeit des schwächsten Teils oder der schwächsten Teile des Bogens, und (3) die Größe der den Bogen bildenden Flocken.
Eine zur Zeit bevorzugte Ausführung der Signalverarbeitungsschaltung 50 ist in Fig. 4 in Blockschaltbildform dargestellt. Die Signalverarbeitungsschaltung 50 umfaßt eine Mehrzahl von Tiefpaßfiltern 52-62. Jedes Filter 52-62 ist einem bestimmten elektrischen "Kanal" zugeordnet. Jeder Kanal umfaßt eines dieser Tiefpaßfilter 52-62 und einen RMS-AC/DC-Wandler 78-88. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann jede Zahl von Kanälen haben (Kanäle 4-5 sind zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen). In der Ausführung von Fig. 4 besitzt die Vorrichtung sechs Kanäle. Jedes der sechs Tiefpaßfilter 52-62 empfängt zwei Eingangssignale. Das erste Eingangssignal an jedes der sechs Tiefpaßfilter 52-62 kommt von dem zuvor beschriebenen Flächenmassensensor 10. Dieses Signal ist auf den ersten Eingang jedes Tiefpaßfilters 52-62 gerichtet.
Die Grenzfrequenz für jedes Tiefpaßfilter 52-62 ist proportional der Frequenz eines zweiten Eingangssignals. Die Frequenz des zweiten Eingangssignals ist nicht für jedes Tiefpaßfilter 52-62 gleich. Stattdessen beträgt die Frequenz des zweiten Eingangs an jedes Tiefpaßfilter 52-62 die Hälfte der Frequenz des dem zweiten Eingang des Tiefpaßfilters des vorangehenden Kanals zugeführten Signals. Daher ist die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters des ersten Kanals am höchsten, und die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 62 des sechsten Kanals ist niedriger als die Grenzfrequenz aller anderen Tiefpaßfilter 52-62. Mit anderen Worten, das Tiefpaßfilter 52 des ersten Kanals läßt ein Signal von dem Flächenmassensensor 10 durch, dessen höchster Frequenzanteil einer bestimmten minimalen Flockengröße entspricht. Der Sensor 10 kann keine Änderungen in der Flächenmasse abfühlen, die in weniger als 1 mm auftreten, da der Lichtleiter 26 (Fig. 2) des Flähenmassensensors 10 einen Durchmeeser von 1 mm hat. Somit entspricht das Flächenmassensignal mit der höchsten Frequenz, das an die Tiefpaßfilter gesandt wird, Flocken von 1 mm. Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung die Frequenz des an den zweiten Eingang des Tiefpaßfilters 52 von Kanal 1 gesendeten Signals eingestellt, damit dieses Tiefpaßfilter 52 eine Grenzfrequenz hat, die durch 1 mm Flocken verursachten Abweichungen in der Flächenmasse entspricht. Die Frequenz des an die zweiten Eingänge der Tiefpaßfilter 54-62 der Kanäle 2-6 gesendeten Signals wird eingestellt, damit die Grenzfrequenzen dieser Tiefpaßfilter 54-62 Flockengrößen von 2 mm, 4 mm, 8 mm, 16 mm und 32 mm entsprechen. Die Frequenz des zweiten Eingangs an jedes Tiefpaßfilter 52-62 ist auch proportional der Geschwindigkeit, mit der das Papier den Sensor 10 durchläuft. Daher entspricht die Grenzfrequenz jedes Tiefpaßfilters 52-62 einer Flächenmassen-Signalfrequenzcharakeristik von Flocken der vorerwähnten Größen auch dann, wenn sich die Geschwindigkeit, mit der der Papierbogen den Sensor 10 durchläuft, ändert.
Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführung wird das zweite Eingangssignal an jedes Tiefpaßfilter 52-62 gewonnen, indem zuerst die Geschwindigkeit, mit der der Papierbogen den Sensor 10 durchläuft, gemessen wird. Vorrichtungen, die die Geschwindigkeit eines Papierbogens messen, sind in der Technik bekannt. Viele moderne Papierfabriken sind hoch automatisiert und enthalten einen Computer, der verschiedene Parameter des Papierherstellungsprozesses überwacht und steuert. Daher kann bei der vorliegenden bevorzugten Ausführung ein digitales Signal aus dem Computer der Fabrik, das die Papiergeschwindigkeit angibt, bequem benutzt werden, um die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 52-62 jedes Kanals zu steuern. Dieses digitale Geschwindigkeitssignal wird zu einem Digital/Analog-Wandler 64 geführt, der das digitale Geschwindigkeitssignal empfängt und eine der Papiergeschwindigkeit proportionale Spannung ausgibt. Diese Spannung wird dann einem Spannungs/Frequenz-Wandler 66 (nachfolgend "VFC") eingegeben. Der VFC 66 gibt dann ein Signal mit einer Frequenz aus, die der Ausgangsspannung des Digital/Analog-Wandlers 64 und damit der Geschwindigkeit des durch den Sensor 10 laufenden Papiers proportional ist. Jeder Kanal, außer dem ersten Kanal, enthält einen Frequenzteiler 68-76. Das Signal von dem VFC 66 wird direkt in den zweiten Eingang des Tiefpaßfilters 52 des ersten Kanals und auch in den Frequenzteiler 68 des zweiten Kanals geleitet. Der Frequenzteiler 68 des zweiten Kanals teilt die Frequenz des von dem VFC 66 empfangenen Signals, und das resultierende Signal niedrigerer Frequenz wird an den zweiten Eingang des Tiefpaßfilters 54 des zweiten Kanals und auch an den Frequenzteiler 70 des dritten Kanals geleitet. Somit hat der zweite Eingang an das Tiefpaßfilter 52 des ersten Kanals die Frequenz X. Die Frequenz X entspricht der Geschwindigkeit, mit der das Papier den Sensor 10 durchläuft. Da durch zwei teilende Frequenzteiler in der vorliegenden bevorzugten Ausführung benutzt werden, beträgt der Frequenzeingang an das Tiefpaßfilter 54 des zweiten Kanals X/2. Der Signalausgang des Frequenzteilers 68 des zweiten Kanals speist auch den Eingang des Frequenzteilers 70 des dritten Kanals. Alle nachfolgenden Kanäle 4, 5 und 6 haben ebenfalls Frequenzteiler, z.B. Frequenzteiler 76, die das Signal von dem Frequenzteiler des vorangehenden Kanals empfangen und ein Signal mit der halben Frequenz des empfangenen Signals ausgeben. Daher beträgt Frequenz des an den zweiten Eingang des Tiefpaßfilters 56 des dritten Kanals geführten Signals X/4, die Frequenz des an das den zweiten Eingang des Tiefpaßfilters des vierten Kanals (nicht gezeigt) ist X/8 usw. Auf diese Weise umfaßt der Ausgang des Tiefpaßfilters 52 des ersten Kanals Frequenzen, die Flockengrößen größer als oder gleich einer Minimalgröße, z.B. 1 mm, entsprehen. Die höchste Frequenz die in jedem nachfolgenden Kanal an den Ausgang des Tiefpaßfilters weitergeleitet wird, entspricht Flockengrößen mit zunehmend größerer Minimalgröße, z.B. 2 mm, 4 mm, 8 mm, 16 mm und 32 mm. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 52-62 jedes Kanals wird dann verarbeitet, um verschiedene Formationsparameter des abgetasteten Bogens für Flockengrößen bei und über der minimalen Flokkengröße für den einzelnen Kanal anzugeben.
Um ein Ausgabesignal zu gewinnen, das die Größe der Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens anzeigt, wird der Ausgang jedes Tiefpaßfilters 52-62 zu einem zugehörigen AC/DC-Wandler 78-88 geleitet. Je der AC/DC-Wandler 78-88 erzeugt eine DC-Spannung, die dem RMS-Wert des AC-Signalausgangs von dem zugehörigen Tiefpaßfilter 52-62 gleichwertig ist. Der RMS-Wert der von jedem AC/DC-Wandler 78-88 erzeugten DC-Spannung ist der Größe der durch Flocken einer einzelnen Minimalgröße erzeugten Abweichung in der Flächenmasse des Bogens proportional. Da die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter 52-62 in jedem Kanal auf nachfolgend niedrigere Frequenzen eingestellt ist, entspricht die Größe der RMS-DC-Ausgangsspannung jedes nachfolgenden Kanals der Größe der durch nachfolgend größere Minimalflockengrößen verursachten Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens.
Bei bestimmten Gelegenheiten wird der Fabrikbediener von der Größe der durch Flocken in einem einzelnen Größenbereich verursachten Flächenmassenabweichungen in dem Bogen Kenntnis haben wollen. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann diese Information durch einfaches Subtrahieren des RMS-DC-Ausgangs des AC/DC-Wandlers eines Kanals von dem RMS-DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers eines anderen Kanals liefern. Die Differenz zwischen der Werten dieser Ausgänge entspricht der Größe der durch Flocken in dem Größenbereich zwischen den Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter der zwei Kanäle verursachten Flächenmassenabweichungen.
Eine Subtraktionsschaltung 122 kann vorgesehen werden, um an den Eingängen 1 und 2 den Ausgang von zwei ausgewählten AC/DC-Wandlern zu empfangen. Diese Subtraktionsschaltung erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Differenz zwischen den Ausgängen der zwei ausgewählten AC/DC-Wandler entspricht. Alternativ kann der Papierfabrikbediener, wenn die Ausgänge der verschiedenen AC/DC-Wandler numerisch angezeigt werden, die Differenz zwischen zwei beliebigen solcher Ausgänge durch Subtraktion erhalten. Um beispielsweise die Größe der durch Flocken zwischen 4 mm und 8 mm verursachten Flächenmassenabweichungen zu bestimmen, subtrahiert der Bediener einfach den Ausgangswert des AC/DC-Wandlers des vierten Kanals von dem Ausgangswert des AC/DC-Wandlers des dritten Kanals.
Viele standardmäßige "RMS"-AC/DC-Wandler messen tatsächlich die Spitze-Spitze-Spannung des eingehenden Signals und liefern dann ein DC- Ausgangssignal, das dem wahren RMS-Wert des Eingangssignals nur entspricht, wenn des Eingangssignal sinusförmig ist. Die Wellenform des Flächenmassensignals ist jedoch im allgemeinen nicht sinusförmig. Es ist daher für gewöhnlich wichtig, daß die AC/DC-Wandler 78-88 der vorliegenden Erfindung eine DC-Spannung ausgeben, die dem wahren RMS-Wert des Flächenmassensignals entspricht. Andernfalls kann das Ausgangsignal dieser AC/DC-Wandler 78-88 eine ungenaues Maß der Flächenmassenabweichungen liefern.
Die Verwendung wahrer RMS-AC/DC-Wandler ist besonders wichtig, wenn der Ausgang des Wandlers eines Kanals von dem Ausgang eines Wandlers eines anderen Kanals subtrahiert wird, um dadurch die durch Flocken in einem bestimmten Größenbereich verursachte Beitragung zu den Flächenmassenabweichungen zu bestimmen. Flocken unterschiedlicher Größen können die gleichen Spitze-Spitze-Änderungen in dem Flächenmassensignal verursachen, obwohl ihre Beitragung zu dem RMS-Wert des Flächenmassensignals verschieden ist. Eine Subtraktion eines aus einem Flächenmassensignal, das Frequenzen enthält, die z.B. 8 mm Minimalflockengrößen entsprechen, gewonnen A/DC-Wandlerausgangs von einem, der 4 mm Minimalflockengrößen entspricht, sollte und würde daher ein Signal ergeben, das die durch Flocken im 4-8 mm Größenbereich verursachte Beitragung zu der Flächenmassenabweichung anzeigt, wenn wahre RMS-AC/DC-Wandler verwendet werden. Wenn jedoch das "RMS"-Signal tatsächlich aus einer Messung des Spitze-Spitze-Signalwerts gewonnen wird und Flocken verschiedener Größen die gleiche Spitze-Spitze-Änderung im Flächenmassensignal hervorrufen, dann würde die Differenz zwischen den Ausgängen der zwei AC/DC-Wandler Null sein. Dies würde jedoch keine korrekte Anzeige der durch die Flocken in dem 4-8 mm Bereich verursachten Beitragung zu der Flächenmassenabweichung sein. Daher kann die Verwendung standardmäßiger Spitze-Spitze-AC/DC-Wandler falsche Anzeigen liefern, wenn diese in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt werden.
Der zweite Parameter, der die Festigkeit des schwächsten Teils des Bogens anzeigt, wird erhalten, indem der Ausgang des Tiefpaßfilters 52 des ersten Kanals zu dem Eingang einer Spitzenermittlungsschaltung 90 geführt wird. Da, wie zuvor erwähnt, die Größe der Intensität des gesendeten Strahls umgekehrt proportional der Flächenmasse des Bogens ist, wird die Größe des AC-Signals am Ausgang dieses Tiefpaßfilters 52 ebenfalls umgekehrt proportional der lokalen Flächenmasse des Teils des Bogens sein, der dann grade durch den Sensor 10 abgetastet wird. Die Spitzenermittlungsschaltung 90 kann ausgelegt sein, um ein DC-Signal zu liefern, das der größten Spannungsspitze, die durch das Tiefpaßfilter 52 des ersten Kanals in einer vorbestimmten Zeitdauer oder für eine vorbestimmte Länge des den Sensor 10 durchlaufenden Bogens läuft, proportional ist. Die Größe dieses Signals zeigt den schwächsten Punkt in dem Bogen an. Alternativ kann die Spitzenermittlungsschaltung 90 auch ausgelegt sein, um einen Ausgang zu erzeugen, der dem Mittel mehrerer Signalspitzen über einer eingestellten Zeitdauer oder einer Länge des den Sensor 10 durchlaufenden Bogens proportional ist. In diesem letzteren Fall würde der Ausgang der Spitzenermittlungsschaltung 90 einen mittleren schwachen Punkt in dem Bogen kennzeichnen.
Die Signalverarbeitungsschaltungen 60 der vorliegenden Erfindung können den Papierhersteller mit noch einem dritten Ausgabesignal versorgen, das eine andere Eigenschaft des Papierbogens -- die mittlere Flockengröße -- angibt. Um diesen Parameter zu erhalten, wird der Ausgang des Tiefpaßfilters 52 des ersten Kanals an eine Flockengrößenmeßschaltung 92 geführt. Diese Schaltung 92 zählt während eines vorbestimmten Zeitintervalls die Häufigkeit mit der das Ausgangssignal von dem Tiefpaßfilter 52 des ersten Kanals einen Wert erreicht, der der mittleren Flächenmasse des Bogens entspricht. Die Frequenz, mit der dieses Signal diesen mittleren Flächenmassenwert kreuzt, geteilt durch die Geschwindigkeit des Papiers durch den Sensor, gibt die mittlere Größe der den Bogen bildenden Flocken an. Die Flockengrößenmeßschaltung 92 führt diese Division elektronisch durch und gibt ein Signal aus, das der mittleren Flockengröße entspricht. Wenn sich z.B. das Papier mit 1000 m/min bewegt und der Ausgang von dem Tiefpaßfilter des ersten Kanals einen Wert erreichte, der der mittleren Flächenmasse 3333mal während einer Sekunde entspricht, dann beträgt die mittlere Flockengröße des Bogens 10 mm (1000 m/min 1 min/60 sek 1 sek/3333 Kreuzungen 2 Kreuzungen/Flocke). Durch Abtasten der Flächenmasse des Papierbogens entlang einer Linie oder Kurve (nachfolgend kollektiv "Linie") entlang der Bogenoberfläche kann daher die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung dem Papierhersteller ein Ausgabesignal liefern, das die Größe der den Bogen bildenden Flocken anzeigt.

C. Anwendung und Kalibrierung der Vorrichtung

In einer Papierfabrik wird Papier typischerweise in Bögen mit einer Breite von etwa 7.6 m (25 Fuß) hergestellt. Um den gesamten Bogen zu charakterisieren, kann ein Fächenmassen-Formationssensor in der "Querrichtung" des Bogens hin und her bewegt oder "gescannt" werden (d.h. über die Breite des Bogens), wenn sich der Bogen in der "Maschinenrichtung" (d.h. in Längsrichtung) fortbewegt. Alternativ können eine Mehrzahl von Sensoren in der Querrichtung über nur einem Teil der Breite des Bogens hin und her gescannt werden. Wenn z.B. 50 Flächenmassensensoren an einem 7.6 m (25 Fuß) breiten Bogen verwendet werden, dann würde jeder Sensor über einen 15.2 cm (6 Zoll) breiten Streifen des Bogens hin- und herscannen. Typischerweise stellen Papierfabriken solche Bogen bei mehr als etwa 305 m (1000 Fuß) pro Minute her, und die Hin- und Herabtastgeschwindigkeit des Sensors kann bei der vorliegenden Ausführung auf 18.3 m (60 Fuß) pro Minute eingestellt werden. Die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter braucht daher nur proportional der Geschwindigkeit gemacht zu werden, mit der sich der Bogen in der Maschinenrichtung bewegt, ohne einen wesentlichen Fehler in die Ausgabeanzeigen einzubringen. Die durch die Querrichtungsbewegung des Sensors verursachte zusätzliche Beitragung zu der Geschwindigkeit, mit der das Papier den Sensor durchläuft, ist minimal und kann für gewöhnlich vernachlässigt werden.
Damit der Empfängerteil des Flächenmassensensors 14 (Fig. 2) richtig arbeitet, muß das Licht von der Quellenseite des Sensors 12 direkt gegenüber dem Bogen vom Emfänger 14 aus ausgerichtet sein. Die zwei Hälften des Flächenmassensensors 10 können jedoch nicht direct miteinander verbunden werden, da der Papierbogen 16 zwischen diesen zwei Hälften hindurchläuft. Eine Anzahl verschiedener Vorrichtungen können benutzt werden, um die zwei Hälften des Sensors 10 einander direkt gegenüberliegend zu halten, winn sie über den Bogen 10 hin- und herscannen. Eine solche Vorrichtung besteht z.B. aus zwei Laufbahnen (nicht gezeigt), eine auf jeder Seite das Bogens 16. Die Quellenseite des Sensors 12 fährt auf einer der Laufbahnen, und die Emfängerseite des Sensors 14 fährt auf der anderen Laufbahn. Ein Getriebe- oder Riemenscheibensystem bewegt die zwei Hälften des Sensors in Einklang und einander gegenüberliegend über die Breite des Bogens 16 hin und her. Auf diese Weise bleiben die Quellenhälfte 12 und die Empfängerhälfte 14 direkt einander gegenüberliegend, ohne die Notwendigkeit, den Bogen mit einem Verbindungselement zu durchdringen.
Die Kalibrierung kann "ohne Bogen", d.h. ohne einen Papierbogen zwischen den zwei Sensorhälften zu haben, vorgenommen werden. Um die Ausgänge der Tiefpaßfilter zu kalibrieren, wird ein Zerhackerrad 100 (Fig. 3) zwischen der Lichtquelle 18 und der Photodiode 30 des Sensors angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführung wird das Zerhackerrad 100 an der Basis des Lichtleiters 26 angeordnet. Wie in Fig. 3 gezeigt, die eine Draufsicht des Zerhackerrads 100 ist, besteht das Rad 100 aus einer runden Scheibe 102 aus lichtundurchlässigem Material mit einer Mehrzahl um das Rad 100 herum angebrachter radialer Schlitze 104. Das Zerhackerrad 100 wird durch einen Motor (nicht gezeigt) mit einer bekannten Drehzahl angetrieben, so daß die Photodiode 30 Lichtimpulse empfängt, wenn Licht von der Lichtquelle durch die lichtundurchlässigen Teile des Rads 100 abwechselnd blockiert wird oder durch die Schlitze 104 hindurchgehen kann. Die Impulsfrequenz wird durch die vorgegebene Drehzahl des Rads 100 und die Zahl der Schlitze 104 in dem Rad 100 bestimmt. Das Papiergeschwindigkeitssignal kann dann eingestellt werden, so daß die Tiefpaßfilter aller Kanäle 52-62 (Fig. 4) Signale an die zugehörigen RMS-AC/DC-Wandler 78-88 senden werden. Dann können durch Eingeben aufeinanderfolgend niedrigerer Papiergeschwindigkeiten die Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter kalibriert werden. Wenn z.B. ein Zerhackerrad 100 mit vier radialen Schlitzen 104, wie das von Fig. 3, mit einer Drehzahl von 142.5 Umdrehungen pro Sekunde gedreht wird, wird das Zerhackerrad 100 das auf den Lichtdetektor fallende Licht mit 570 Hz modulieren. Wenn das Papiergeschwindigkeitssignal von dem VFC 66 schneller als 1094 m/min ist, werden alle Kanäle das Signal sehen. Wenn jedoch die Papiergeschwindigkeit unter 1094 m/min abfällt, werden nur die Kanäle 1-5 einen Ausgang liefern. Eine weitere Verringerung in dem Papiergeschwindigkeitssignal wird weitere Tiefpaßfilter veranlassen, das Signal von dem Flächenmassensensor 10 abzuschneiden.
Wenn der Kalibriervorgang beendet ist, muß die Drehung des Zerhackerrads 100 angehalten werden, und das Rad 100 muß in einer Drehstellung gehalten werden, bei der Licht von der Lichtquelle 18 durch die Schlitze 104 in dem Rad 100 gelangen und die Photodiode 30 erreichen kann. Wenn nach Vollendung des Kalibriervorgangs das Zerhackerrad 100 bei einer Stellung anhält, so daß die lichtundurchlässigen Teile des Rads nahe dem Radumfang 206 (nachstehend "Speichen") den Lichtstrahl blockieren, wäre die Photodiode 30 nicht in der Lage, den Lichtstrahl zu ermitteln, und die Formationssensorvorrichtung 10 würde nicht arbeiten.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung, die benutzt wird, um das drehbare Zerhackerrad 100 bei einer Stellung anzuhalten und festzu halten, so daß der Lichtstrahl durch die Schlitze 104 in dem Rad 100 hindurchgehen kann. Das Zerhackerrad 100 von Fig. 5 arbeitet in einer Weise, die im wesentlichen dem Zerhackerrad von Fig. 3 gleicht. Das Rad von Fig. 5 hat jedoch mehr Radialschlitze 104 und foglich mehr Speichen 206 als das in Fig. 3 dargestellte Rad. Das Rad von Fig. 5 wird daher bei gleicher Drehzahl den Lichtstrahl mit einer höheren Frequenz modulieren als das Rad von Fig. 3. Zusätzlich zu dem Zerhackerrad 100 umfaßt die Vorrichtung von Fig. 5 auch einen Elektromagnet 200, dessen Pole 202 am Umfang des Rads 100 angrenzend angeordnet sind.
Nach Vollendung des Kalibriervorgangs wird der Elektromagnet erregt. Der Elektromagnet 200 wird erregt, indem ein elektrischer Strom durch die um den Magnetkörper gewundene Drahtspule 204 geleitet wird. Damit der Elektromagnet 200 die Drehstellung des Rads 100 beeinflussen kann, sollte das Rad 100 aus einem magnetisch leitfähigen Material, z.B. Eisen, bestehen, das eine magnetische Permeabilität größer als Luft besitzt. Wenn das Zerhackerrad 100 gedreht wird, so daß sich die Speichen 206 des Rads 100 direkt bei den Magnetpolen 202, wie Fig. 5 zeigt, befinden, können daher die magnetischen Kraftlinien mit minimalem Widerstand zwischen den Polen 202 und durch das Rad 100 fließen. Eine Erregung des Elektromagneten 200 dreht daher das Zerhackerrad 100, bis sich die Speichen 206 bei den Polen 202 des Elektromagneten 200 befinden. Die Pole 202 des Elektromagneten 200 sind so angeordnet, daß bei Erregung der Elektromagnet 200 das Zerhackerrad 100 in eine Stellung dreht, so daß ein Lichtstrahl, durch das Rad 100 unbehindert, von dem Ende des Lichtleiters 26 durch einen Schlitz 104 in dem Rad 100 zu der Photodiode 30 gelangen kann.
Bei der zur Zeit bevorzugten Ausführung ist die Breite W der Pole 202 des Elektromagneten 200 nahe dem Rand des Rads gleich dem Abstand zwischen zwei Radialschlitzen 104 an dem Radrand. Wenn die Pole 202 wesentlich breiter sind als die Speichen 204, wird jeder Pol 202, ungeachtet der Drehstellung des Zerhackerrads 100, immer an wenigstens einer Speiche 206 angrenzend sein. In diesem Fall wird der Elektromagnet 200 nicht in der Lage sein, das Zerhackerrad 100 zu drehen, da sich der Widerstand für die magnetischen Kraftlinien mit der Drehstellung des Rads 100 nicht verändern wird. Alternativ, wenn die Pole 202 schmaler sind als die Speichen 206, wird sich der Widerstand für die magnetischen Kraftlinien mit der Drehung des Rads für einen bestimmten Bereich von Winkelstellungen des Rads, bei denen die Speichen 206 den Polen 202 benachbart sind, nicht ändern. In diesem Fall werden die Speichen 206 zu den Magnetpolen gezogen werden, aber eine genaue Steuerung des drehbaren Rads 100 wird unmöglich sein. Daher sollten zur genauesten Positionierung des Rads 100 die Magnetpole 202 die gleiche Breite haben wie die Speichen 206 des Zerhackerrads 100. Wenn dieser Zustand besteht, wird eine Erregung des Elektromagneten 200 das Rad 100 so positionieren, daß die Speichen 206 genau mit den Magnetpolen 202 ausgerichtet sind, und daß ein Schlitz 104 in dem Rad mit der Laufbann des Lichtstrahls zwischen dem Lichtleiter 26 und der Photodiode 30 ausgerichtet ist. Fig. 2 und Fig. 5 zeigen das Zerhakkerrad 100 so positioniert, daß ein Schlitz 104 mit dem Ende des Lichtleiters 26 ausgerichtet ist, um einen Durchgang des Lichtstrahls zu dem Photodiodendetektor 30 zu erlauben.
Verschiedene Papierarten werden bestimmte Lichtfrequenzen bevorzugt absorbieren oder reflektieren. Um die Empfindlichkeit des Flächenmassensensors für Änderungen in der Flächenmasse zu optimieren, kann daher ein optisches Bandpaßfilter 110 (Fig. 2) in dem Weg des Lichtstrahls angeordnet werden. Dieses Bandpaßfilter 110 wird bevorzugt Licht bestimmter Frequenzen an die Photodiode 30 leiten.
Um Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens richtig zu messen, ist es wichtig, daß das verstärkte Flächenmassensignal aus dem Verstärker 120 (Fig. 4) der Flächenmasse des Bogens umgekehrt proportional ist. Um sicherzustellen, daß die Amplitude des an die Tiefpaßfilter 52-62 geführten Flächenmassensignals auf Änderungen in der Flächenmasse linear anspricht, kann das verstärkte Detektorsignal mit und ohne einem in dem Weg des Lichtstrahls angeordneten Filter 130 (Fig. 2) neutraler Dichte gemessen werden. Das Filter mit neutraler Dichte 130 schwächt die Strahlintensität um einen bekannten Prozentsatz ab. Die Amplitude des verstärkten Flächenmassensignals sollte zuerst gemessen werden, während der Drehzapfen 132 das Filter 130 aus dem Weg des Strahls geschwenkt hat. Dann wird das Filter 130 durch den Drehzapfen in den Strahlweg geschwenkt. Während sich das Filter 130 in dem Strahlweg befindet, sollte das verstärkte Flächenmassensignal erneut gemessen werden. Nichtlinearitäten im Ausgang des Sensors können dann durch Abgleichen des Verstärkers 120 (Fig. 4) kompensiert werden, so daß die durch Einsetzen des Filters 130 mit neutraler Dichte in den Strahlweg verursachte Änderung in der Amplitude des verstärkten Flächenmassensignals der durch Einsetzen des Filters 130 in den Strahlweg verursachten bekannten Änderung in der Lichtstrahlintensität linear entspricht.
Bei einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung, wie z.B. der oben beschriebenen zur Zeit bevorzugten Ausführung, werden einem Papierhersteller Ausgabesignale zu Verfügung gestellt, die drei wichtigen Parametern bei der Papierherstellung entsprechen: (1) die Größe der durch Flocken vorbestimmter Minimalgrößen oder Größenbereiche verursachten Abweichungen in der Flächenmasse des Bogens: (2) die Festigkeit des schwächstens Teils oder der schwächsten Teile des Bogens, und (3) die Größe der den Bogen bildenden Flocken. Durch Überwachen dieser Parameter kann der Papierhersteller seinen Papierherstellungsprozeß einstellen, um einen Papierbogen mit gleichmäßig verteilten Fasern zu liefern. Ein solcher gut gebildeter Bogen wird eine hohe Festigkeit, gute optische und strukturelle Eigenschaften sowie eine gute Druckqualität aufweisen.
Eine bevorzugte Ausführug des Flächenmassensensors und der Signalverarbeitungsschaltung sind beschrieben worden. Trotzdem wird eingesehen, daß verschiedene Abänderungen an dem hierin beschriebenen Flächenmassensensor und der Signalverarbeitungsschaltung vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Wo z.B. der Durchmesser des Lichtleiters des Flächenmassensensors der kleinsten Flockengröße entspricht, die der Papierhersteller zu untersuchen wünscht, wird der höchste Frequenzanteil des Signals aus dem Flächenmassensensor Flocken mit einer Minimalgröße entsprechen, die gleich dem Durchmesser des Lichtleiters ist. Ein Tiefpaßfilter in dem ersten Kanal ist daher nicht erforderlich, wenn man nur Signale von dem ersten Kanal untersuchen möchte, die Flocken mit einer Minimalgröße entsprechen, die gleich dem Durchmesser des Lichtleiters ist. Stattdessen kann das verstärkte Flächenmassensensorsignal direkt zu dem RMS-AC/DC-Wandler des ersten Kanals geführt werden. Ferner kann die Signalverarbeitungsschaltung, wenn gewünscht, so modifiziert werden, daß das Ausgangssignal von einem anderen Tiefpaßfilter als dem des ersten Kanals an die Spitzenermittlungsschaltung oder die Flokkengrößenmeßschaltung gesendet wird. Alternativ kann die Signalverarbeitungsschaltung so aufgebaut werden, daß die Eingabe an die Spitzenermittlungs- und Flockengrößenmeßschaltungen von dem Tiefpaßfilter irgendeines gewünschten Kanals ausgewählt werden kann. Dies ist in Fig. 4 als optionaler Entwurf dargestellt. Außerdem kann anderes Bogenmaterial als Papier durch den Sensor geführt und durch die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung charakterisiert werden. Die vorliegende Erfindung ist daher nicht auf die hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungen beschränkt, noch ist sie streng auf die Verwendung bei Papier beschränkt.

Claims

1. Zerhackerrad-Ausrichtvorrichtung, die umfaßt:

a) eine Lichtstrahlquelle (18);

b) einen Lichtdetektor (30) zum Empfang des Lichtstrahls;

c) ein lichtundurchlässiges, drehbares Zerhackerrad (100), das aus einem Material mit einer größeren magnetischen Permeabilität als Luft besteht, wobei das Rad wenigstens einen radialen Schlitz (104) hat, der sich zum Radumfang hin erstreckt, wobei das Rad senkrecht zum Lichtstrahl und in dessen Weg angeordnet ist, so daß, wenn sich das Rad dreht, der Lichtstrahl durch das lichtundurchlässige Rad abwechselnd blockiert wird oder sich durch den Schlitz von der Lichtstrahlquelle zum Lichtdetektor fortbewegen kann;

d) eine Einrichtung zum Antreiben des Zerhackerrades mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit; und

e) einen Elektromagnet (200), wobei wenigstens ein Pol (202) des Magneten an den Radumfang angrenzend angeordnet ist, wobei der Elektromagnet, die Lichtstrahlquelle und der Lichtdetektor zueinander so angeordnet sind, daß Erregung des Elektromagneten den Schlitz im Weg des Lichtstrahls positioniert, so daß sich der Strahl vom Rad nicht behindert von der Lichtstrahlquelle zum Lichtdetektor fortbewegt.

2. Zerhackerrad-Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rad eine Vielzahl von radialen Schlitzen hat, und die Breite des Elektromagnetpols am Radumfang dem Abstand zwischen aneinandergrenzenden Schlitzen am Radumfang gleich ist.

3. Zerhackerrad-Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Nord- und der Südpol des Elektromagneten an einander gegenüberliegenden Seiten des Zerhackerrades angeordnet sind.

4. Flockengrößensensor, der umfaßt:

a) eine Lichtstrahlquelle (18);

b) einen Lichtstrahlintensitätsdetektor(30) zum Empfang des Lichtstrahls und zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das die Intensität des empfangenen Strahls anzeigt;

c) eine Durchlaufeinrichtung (32,34), die einen Durchgang zur Führung des Durchlaufes eines Bogenmaterials zwischen der Lichtstrahlquelle und dem Detektor bildet;

d) einen abriebbeständigen Lichtleiter (26) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende (36) des Lichtleiters mit der der Lichtstrahlquelle gegenüber liegenden Kante des Durchgangs bündig ist und den Lichtstrahl von der Lichtquelle empfängt und den Strahl durch den Lichtleiter zum Lichtdetektor leitet;

e) ein lichtundurchlassiges, drehbares Zerhackerrad (100), das im Weg des Lichtstrahls zwischen dem zweiten Ende des Lichtleiters und dem Lichtdetektor angeordnet ist, wobei das Zerhackerrad aus einem Material mit einer größeren magnetischen Permeabilität als Luft besteht, wobei das Rad eine Vielzahl von radialen Schlitzen hat, die sich zum Radumfang hin erstrecken, wobei die Drehachse des Rades vom zweiten Ende des Lichtleiters beabstandet ist, so daß, wenn sich das Rad dreht, der Lichtstrahl durch das lichtundurchlässige Rad abwechselnd blockiert und durch die Schlitze im Rad gelassen wird; und

f) einen Elektromagnet, wobei wenigstens ein Pol des Elektromagneten an den Radumfang angrenzend angeordnet ist, wobei der Elektromagnet in bezug auf das zweite Ende des Lichtleiters so angeordnet ist, daß Erregung des Elektromagneten das Rad so positioniert, daß sich der Lichtstrahl, der aus dem zweiten Ende des Lichtleiters austritt, vom Rad nicht behindert zum Lichtdetektor fortbewegt.

5. Flockengrößensensor nach Anspruch 4, wobei die Breite des Elektromagnetpols, gemessen am Radumfang, dem Abstand zwischen aneinandergrenzenden Schlitzen, ebenfalls gemessen am Radumfang, gleich ist.

6. Flockengrößensensor nach Anspruch 5, wobei der Nord- und der Südpol des Elektromagneten an einander gegenüberliegenden Seiten des Rades an den Radumfang angrenzend angeordnet sind.