DE3936719A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der papierformation - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Papierformation, d.h. von Grundgewichtsschwankungen bei der Herstellung von Papier, wobei eine Strahlung veranlaßt wird, eine Papierprobe zu durchqueren, und die die Probe durchquert habende Strahlung mit einem Strahlungsdetektor beobachtet wird, um charakteristische Größen der Formation (oder Wolkigkeit) der Probe, an erster Stelle ein eindimensionales Formationsspektrum, das die Flockenverteilung kennzeichnet, zu erhalten.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Messung der Papierformation, enthaltend eine Strahlungsquelle und einen Strahlungsdetektor zum Einleiten von Strahlung in die Papierprobe und zum Beobachten der Strahlung, die durch die Probe gelangt ist, um eine Ortsabhängigkeit der Grundmassenverteilung zu erfassen, die die Formation der Probe kennzeichnet, sowie das Leistungsratenspektrum dieser Schwankungen.

Unter Papierformation versteht man eine Grundmassenschwankung geringen Ausmaßes (0,1 mm bis 100 mm).

Es ist bekannt, die Papierformation Punkt für Punkt unter Verwendung eines Scintillationsdetektors zu messen. Es ist weiterhin bereits bekannt, die Papierformation nach dem Radiogrammverfahren zu messen. Auch ist es bekannt, das Grundgewicht des Papiers in einem ausgedehnteren Bereich unter Verwendung einer Ionisationskammer zu messen. Bei den Messungen richtet man Strahlung durch die Probe und die Strahlung wird mit einem Strahlungsdetektor beobachtet, um Größen zu erhalten, die die Formation kennzeichnen (bei einem Scintillationsdetektor wird die Streuung des Grundgewichts erfaßt, bei einem Radiogramm die Streuung und die Flockengrößenverteilung, und in einer Ionisationskammer der Mittelwert des Grundgewichts). Wenn sichtbares Licht oder andere elektromagnetische Strahlung verwendet wird, wirft die Messung der Formation von geschichtetem, gefülltem oder kalandriertem Papier Probleme wegen der nicht eindeutigen Abhängigkeit der Strahlungsdurchlässigkeit vom Grundgewicht auf. Insbesondere wenn Röntgenstrahlungen verwendet werden, läßt sich keine ausreichende Auflösung im Grundgewicht erzielen, um Größen zu erhalten, die die Formation kennzeichnen.

Da die Qualitätsanforderungen an Papier weiterhin zunehmen, ist die Messung der Papierformation in der Papierindustrie immer wichtiger geworden. Mit den vorhandenen Verfahren und Vorrichtungen ist es jedoch vor allem nicht möglich, die Flockengrößenverteilung, d.h. das Formationsspektrum, schnell, einfach und zuverlässig genug zu erfassen, um das Verfahren bei der kontinuierlichen Off-Line-Überwachung der Formation anwenden zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenerwähnten Nachteile zu beseitigen. Das spezielle Ziel der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Messung der Formation anzugeben, das zur Verwendung bei der wirkungsvollen und schnellen Analyse größerer Papierprobenpartien gut geeignet ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zum Erstellen des Leistungsspektrums von Schwankungen in der Papiergrundmasse anzugeben, das keine komplizierten Arbeitsschritte und keine große Zahl von Arbeitsschritten erfordert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue Vorrichtung zum Messen der Papierformation anzugeben, die die obengenannten Forderungen erfüllt und die in einfacher Weise realisiert werden kann.

Bezüglich der Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, wird auf die Patentansprüche Bezug genommen.

Die Erfindung gründet sich auf das Prinzip der Verwendung einer Strahlungsquelle, die lineare β-Strahlung abgibt, und der Beobachtung der β-Strahlung, die durch das Papier gelangt, mit Hilfe eines positionsempfindlichen β-Strahlungsdetektors, mit anderen Worten, es wird die Positionsabhängigkeit des Grundgewichts, das die Formation und das entsprechende Leistungsspektrum oder die Flockengrößenverteilung kennzeichnet, ermittelt.

Mit der β-Strahlung erhält man den Vorteil, daß die Messung der Formation auch von beschichtetem, gefülltem oder kalandriertem Papier zuverlässig ausgeführt werden kann, weil sowohl das Fasernetzwerk als auch die Pigmente im Papier die β-Strahlung in identischer Weise dämpft und der Zusammenhang zwischen oder Intensität der β-Strahlung, die das Papier durchquert hat, von der Grundmasse bei einem kalandrierten Papier eindeutig ist.

Wenn eine lineare β-Strahlungsquelle als Strahlungsquelle verwendet wird, dann kann die Grundmasse des Papiers in linearen Bereichen des Papiers gemessen werden, wodurch das Meßergebnis in einer Form erhalten wird, die für die Erstellung des eindimensionalen Leistungsspektrums der Grundgewichtsschwankungen geeignet ist.

Das in der Erfindung beschriebene Verfahren kann derart ausgeführt werden, daß keine beweglichen Teile und keine komplizierten Arbeitsschritte notwendig sind, um ein Formationsspektrum zu errichten, die erforderlich sind, wenn das Formationsspektrum mit Hilfe von Radiogrammen bestimmt wird.

In dem Verfahren nach der Erfindung wird die von der Strahlungsquelle erzeugte β-Strahlung auf eine ebene Probe gerichtet, vorzugsweise senkrecht gegen die Probe, wobei die Strahlungsquelle, wenn sie linear ist, parallel zur Probe ist. Wenn die Formation einer Papierprobe gemessen wird, dann wird die β-Strahlung, die durch die Probe gelangt, an der entsprechenden Stelle auf der anderen Seite des Papiers mit einem Strahlungsdetektor gemessen. Nach der ersten Messung kann das Papier in Bezug auf den soeben erfaßten Detektorort, d.h. in einer Richtung unter rechten Winkeln, bewegt werden, und die Messung kann ein oder mehrere Male an einer oder mehreren linear angeordneten Stellen wiederholt werden, um das eindimensionale Spektrum an mehreren Punkten der Probe zu messen.

Eine lineare Strahlungsquelle ist eine solche, die ein lineares Element enthält, das β-Strahlen abgibt, oder eine Strahlungsquelle, die eine ausgedehntere Oberfläche hat, die β-Strahlen abgibt, zuzüglich Elementen, z.B. ein Schlitz, mit deren Hilfe die β-Strahlen in eine lineare Konfiguration gebracht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine β-Strahlenquelle und eine positionsempfindliche Drahtkammer, die in einem sogenannten begrenzten Schlangenmode (1) (LSM mode) arbeitet und als β-Strahlungsdetektor dient. Eine solche Vorrichtung ist beschrieben in M. Ellila et al, Limited Streamer Mode Detectors or Mass Production, Universität von Helsinki, Bericht HU-SEFL-87-13, 1987.

Die Strahlungsquelle und der Detektor sind parallel zueinander angeordnet worden, so daß die Strahlungsquelle eine b-Strahlung in der Papierprobe erzeugt und der Detektor die β-Strahlung überwacht, die örtlich durch das Papier gegangen ist. Der Strahlungsdetektor ist in geeigneter Weise mit einem Signalanalysator verbunden, um eine β-Strahlungsintensitätsverteilung zu messen, die die Formation der Probe kennzeichnet.

Die β-Strahlungs-Identitätsverteilung wird dadurch gemessen, daß β-Partikel, die durch eine einzige Papierprobe gegangen sind, gezählt werden, und der Ort eines jeden an dem Detektor bestimmt wird. Der β-Strahlungsdetektor enthält einen Anodendraht und eine Kathodenfläche in Nachbarschaft zueinander. Zwischen dem Anodendraht und der Kathodenfläche wird eine Hochspannung angelegt, aufgrund der ein elektrisches Feld in dem Gasraum vorhanden ist, das von der Anode zur Kathode gerichtet ist. Die Stärke des elektrischen Feldes ist nahe dem Anodendraht am größten, was dadurch bedingt ist, daß der Anodendraht dünn ist, beispielsweise in der Größenordnung von n × 10¹ bis 10² µm, (n=1 bis 10). Ein β-Partikel, das durch das Meßfenster in den Gasraum und durch die Papierprobe gerichtet wird, ionisiert Atome des Gases, wodurch freie Elektronen und Ionen erzeugt werden. Durch die Wirkung des elektrischen Feldes werden die Ionen gegen die Kathode bewegt und die Elektroden gegen die Anode. Das elektrische Feld ist in Nachbarschaft der Anode so stark, daß die Elektronen vervielfacht werden und eine Elektronenlawine durch die Wirkung des b-Partikels verursachen, so daß der Strom- oder Spannungsimpuls, der davon hervorgerufen wird, in der Schaltung gemessen werden kann. Durch Auswahl der Hochspannung und des Gasgemischs derart, daß der Detektor im sogenannten LSM-Mode arbeitet, erhält man eine hochintensive Entladung, die mit ausreichender Genauigkeit örtlich begrenzt bleibt.

Der Ort des Strom- oder Spannungsimpulses, d.h. der des β-Partikels, am Detektor, wird beispielsweise mit Hilfe des Ladungsteilungsverfahrens ermittelt. Bei diesem Verfahren besteht die Detektorkathode beispielsweise aus getrennten Leiterelementen, wie beispielsweise Metallstreifen, zwischen denen Widerstände identischen Widerstandes angeschlossen sind. Wenn beide Enden der Kathode mit Masse verbunden sind, wird der elektrische Strom, der aus den örtlichen Elektronenlawinen, die durch β-Partikel hervorgerufen werden, resultiert, zwischen den Kathodenenden proportional zu den Widerständen aufgeteilt, die an den Enden gesehen werden. Durch Messung der Ladung an beiden Detektorenden, die in dem von der Entladung verursachten Strom enthalten ist, kann man den relativen Ort der Entladung am Detektor gemäß der folgenden Gleichung berechnen:

X _links = Q _rechts /(Q _links + Q _rechts ) (1)

In der Praxis wird die Erzeugung eines Signals, das proportional zum Ort ist, mit Hilfe eines getrennten elektronischen Berechnungssystems, wie beispielsweise unten angegeben, ausgeführt.

Im Hinblick auf eine verbesserte Lösung wird die Papierprobe vorteilhafterweise so angeordnet, daß sie mit der Strahlungsquelle und mit dem entsprechenden Strahlungsdetektor in Berührung ist. Diese Anordnung bewirkt dann eine Autokollimation, d.h. der Strahlungsdetektor mißt im wesentlichen nur jene Strahlung, die der Strahlungsdetektor an der fraglichen Stelle abgibt.

Zur Verbesserung der Auflösung im Meßergebnis kann die β-Strahlung, die von der Strahlungsquelle erzeugt wird, auch mit Hilfe eines Kollimators parallelgemacht werden. Der Kollimator enthält eine oder mehrere Absorberplatten, in denen eine Linie von Löchern ausgebildet ist, durch die die Strahlung zum Parallelrichten geleitet wird.

Wenn von einer größeren Probe mehrere Formationsspektren ermittelt werden, enthält die Vorrichtung in geeigneter Weise auch eine Fördereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Papierprobe zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor fortzubewegen und die β-Strahlungsintensitätsverteilung an verschiedenen linear hintereinander angeordneten Stellen der Probe in Übereinstimmung mit der Fortbewegung der Probe zu messen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zwei oder mehr lineare Strahlungsquellen und entsprechende Strahlungsdetektoren enthalten, die so angeordnet sind, daß sie die Intensitätsverteilung der durch die Probe gelangenden β-Strahlung gleichzeitig an mehreren Stellen messen. Die Strahlungsquellen sind dann beispielsweise wie eine gerade Linie gestaltet und nebeneinander und parallel angeordnet. Die Strahlungsdetektoren können beispielsweise in Serie geschaltet sein. Die Messung kann beispielsweise mit einer üblichen Ladungsteilungselektronik oder einer Signalzuführungslogik ausgeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele und die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1a-c zeigen eine Meßgeometrie gemäß der Erfindung, schematisch dargestellt von oben, von der Seite und von der Stirnseite,

Fig. 2 zeigt die Kathode des Strahlungsdetektors einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung, und

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung als Blockschaltbild.

In den Fig. 1a-c sieht man eine lineare oder planare b-Strahlungsquelle 2, die so angeordnet ist, daß sie β-Strahlung auf eine Papierprobe 1 richtet, die unter der Strahlungsquelle angeordnet ist. Die Strahlungsquelle kann auch mit einem Kollimator 7 ausgerüstet sein, der die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung parallelrichtet. Ein β-Strahlungsdetektor 3 befindet sich auf der anderen Seite der Papierprobe gegenüber der Strahlungsquelle, d.h. die Probe befindet sich zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor und berührt das Eintrittsfenster 11 des Detektors, das für ß-Partikel durchlässig ist. Der Kollimator 7 richtet die β-Strahlung, die von der Strahlungsquelle 2 abgegeben wird, derart, daß sie zu einem linearen Strahl wird.

Der Detektor 3 enthält ein gasdichtes Gehäuse 12, ein mit dem Gehäuse durch eine gasdichte Dichtung verbundenes Eintrittsfenster 11 und einen Anodendraht 13 sowie eine Kathodenfläche 14. Der Gasraum 15 innerhalb des Detektors ist mit einem geeigneten Gasgemisch gefüllt.

Im Gebrauch dieser Vorrichtung erzeugt die lineare β-Strahlungsquelle 2 eine β-Strahlung, die mit Hilfe des Kollimators 7 parallelgerichtet und durch die Papierprobe 1 in den Detektor 3 geleitet wird. In Abhängigkeit von der Grundmasse des Papiers an verschiedenen Punkten der Probe erreichen unterschiedliche Anteile der β-Partikel, die von der β-Strahlungsquelle abgegeben werden, den Detektor an verschiedenen Punkten desselben. Die Schwankungen in der Grundmasse des Papiers können daher in Schwankungen der β-Strahlungsintensität an der Oberfläche des Detektors umgesetzt werden, und die Intensitätsschwankung wird in Abhängigkeit von der Position gemessen. Falls gewünscht, kann die Probe 1 bewegt werden, beispielsweise mit Hilfe einer Fördereinrichtung 10, beispielsweise einem Rollenförderer od.dgl, um die β-Strahlung zu beobachten, die von der Probe an verschiedenen Punkten durchgelassen wird, z.B. an Stellen nebeneinander angeordneter paralleler Linien konstanten gegenseitigen Abstands.

In Fig. 2 sieht man die widerstandsbehaftete Kathode 5 des Strahlungsdetektors, der zu einer Ausführungsform der Erfindung gehört. Die Kathode besteht aus getrennten Leiterelementen 6, d.h. aus Metallstreifen, zwischen denen jeweils Widerstände 16 identischer Widerstandsgrößen angeschlossen sind. Wenn beide Enden der Kathode mit Masse verbunden sind, erzeugen β-Partikel, die im Detektor nach Fig. 1 ankommen, örtliche Elektronenlawinen, die einen elektrischen Strom zwischen den beiden Enden der Kathode proportional zu den Widerständen erzeugen, die an den Enden gesehen werden. Es ist möglich, durch Messung der Ladung, die in dem Strom enthalten ist, der durch die Entladung erzeugt wird, den Ort der Entladung am Detektor zu berechnen, wie erläutert worden ist.

Die Anordnung, die dazu dient, ein Signal proportional der Stelle der Elektronenlawine zu erzeugen, d.h. der Stelle, an der die β-Strahlung empfangen worden ist, wird in Fig. 3 dargestellt. Die Hochspannung für den Detektor wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle 17 erzeugt. Die Ladungen an den Enden 18, 19 der widerstandsbehafteten Kathode 5 von Fig. 2 werden mit Hilfe eines ladungsempfindlichen Vorverstärkers 20 integriert, und die Signale werden weiter mit Hilfe eines linearen Verstärkers 21 verstärkt. Von dem linearen Verstärker wird das Signal direkt einem Teilermodul 22 zugeführt, dessen anderer Eingang durch Addieren der Impulse beider Linearverstärker unter Verwendung eines Summiermoduls 23 erhalten wird. Das Teilermodul erzeugt einen Impuls, der eine Höhe hat, die proportional zum Quotienten der Eingänge ist, d.h. gemäß der Gleichung (1) auch proportional dem Ort der Entladung, gezählt vom Ende des Detektors, d.h. vom Ort des empfangenen β-Partikels. Die Impulshöhenanalyse dieses Signals, die von einem mehrkanaligen Analysator 24 durchgeführt wird, gibt schließlich direkt die Intensitätsverteilung der Strahlung an, d.h. das β-Strahlungsspektrum auf der Oberfläche des Detektors.

Claims (13)

1. Verfahren zum Messen der Papierformation, bei der Strahlung durch eine Papierprobe geleitet und die durch die Papierprobe gelangte Strahlung mit Hilfe eines β-Strahlungsdetektors beobachtet wird, um ein Spektrum zu ermitteln, das die Formation der Probe kennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungquelle eine lineare β-Strahlungsquelle verwendet wird und daß die β-Strahlung, die durch die Papierprobe gelangt ist, eindimensional mit Hilfe eines positionsempfindlichen Drahtkammerdetektors ermittelt wird, der im LSM-Mode arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlungsquelle erzeugte β-Strahlung parallelgerichtet wird, um ein linearer Strahl zu werden, der auf die Papierprobe unter rechten Winkeln zur Probe gerichtet wird, wobei die Strahlungsquelle parallel zur Probe ausgerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe bei der Bestrahlung mit der Strahlungsquelle im wesentlichen in Berührung ist und der Detektor mit der Probe im wesentlichen in Berührung ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das β-Strahlungsspektrum, das durch die Probe gegangen ist, in einem sich linear erstreckenden Bereich gemessen wird, wonach das Papier senkrecht zur Richtung dieser linearen Erstreckung bewegt wird und die Messung wiederholt wird, um an mehreren Punkten der Probe ein eindimensionales Spektrum zu messen, das die Formation des Papiers charakterisiert.

5. Vorrichtung zum Messen der Formation von Papier (1), enthaltend eine Strahlungsquelle (2) und einen Strahlungsdetektor (3) zum Bestrahlen der Papierprobe und zum Beobachten der Strahlung, die durch das Papier gegangen ist, um eine Strahlungsintensitätsverteilung zu ermitteln, die die Formation der Probe kennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (2) eine lineare β-Strahlungsquelle ist und daß der Detektor (3) ein positionsempfindlicher Drahtkammerdetektor ist, der im LSM-Mode arbeitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der β-Strahlungsdetektor (3) mit einem Signalanalysator (4) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtdetektor (3) eine widerstandsbehaftete Kathode (5) enthält, die mehrere getrennte Leiterelemente (6) aufweist, die mit einem Signalanalysator (4) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Kollimator (7) aufweist, der so angeordnet ist, daß er die β-Strahlung linear macht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (7) schlitzartg ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (7) wenigstens eine Absorptionsplatte aufweist, in der eine Linie von Löchern angeordnet ist, durch die die β-Strahlung parallelgerichtet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Papierprobe (1) mit der Strahlungsquelle (2) und dem zugehörigen Strahlungsdetektor (3) in Berührung ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Fördereinrichtung (10) enthält, die die Papierprobe (1) zwischen der Strahlungsquelle (2) und dem Strahlungsdetektor hindurch bewegt, und daß die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das β-Strahlungsspektrum an mehreren Punkten zu messen, während die Probe zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor hindurchgefördert wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei oder mehr lineare und parallele Strahlungsquellen (2) mit zugehörigen Strahlungsdetektoren enthält, um die Formation gleichzeitig an mehreren Punkten der Probe zu messen.