DE4232185A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Restfeuchtegehaltes von bewegten Materialbahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Bestim­ mung des Restfeuchtegehaltes von bewegten Flächenbahnen aus quellfähigem Material, wie Textilien aus Regeneratfaserstoff und Naturfasern, Papier und fotografischer Film insbesondere zur Kon­ trolle des Trocknungsprozesses von Bahntrocknern.

Es ist bekannt, daß Restfeuchte von Textilien, Papier und foto­ grafischem Film konduktometrisch gemessen werden kann, wobei der logarithmische Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand und dem Restfeuchtegehalt genutzt wird. Bei Flächengebilden ist dieser Zusammenhang weitestgehend unabhängig von der Flächenmas­ se. Als Meßelektroden dienen Kontaktflächen aus leitfähigem Mate­ rial, z. B. bei Flächenbahnen Walzen oder Rollen, wobei der elek­ trische Widerstand entweder zwischen zwei benachbarten, gegenein­ ander isolierten Walzen oder zwischen einer Führungswalze der Bahn und einer auf der Ware auf liegenden, als Meßelektrode die­ nenden Walze gemessen wird. Diese Meßtechnik ermöglicht eine Aus­ sage über den prozentualen Feuchtegehalt und zwar auch dann, wenn es sich um Mischsysteme mit einem bestimmten Anteil an syn­ thetischem Material handelt.

Dieses Meßprinzip erfordert im Interesse der Realisierung eines breiten Meßbereiches eine Logarithmierung des Meßsignals wie im Patent AS 1 209 777 beschrieben. Um ein unzulässiges Anwachsen des Meßstromes zu vermeiden, wird nach dem US-Patent 3 434 050 eine Schaltung zur Anpassung des Meßstromes an die Größe des zu bestimmenden Widerstandes vorgeschlagen.

Ein wesentliches Problem bei der konduktometrischen Feuchtebe­ stimmung besteht jedoch darin, daß elektrostatische Aufladungen der Warenbahn die Messung erheblich stören können, indem die an den Rollen getrennte Ladung einen in den Meßkreis fließenden Strom verursacht, der insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und im Bereich geringer Restfeuchte den Meßstrom um mehrere Grö­ ßenordnungen übersteigen kann. Weiterhin verursachen Potential­ schwankungen der in der Regel ungleichmäßig aufgeladenen Waren­ bahn durch kapazitive Kopplung Störungen des Meßpotentials. Die­ ser Umstand hat zur Folge, daß Widerstandswerte bereits oberhalb von 10⁹ Ohm in bestimmten Fällen nicht mehr zuverlässig ge­ messen werden können. Dies entspricht Restfeuchtewerten im Be­ reich der Gleichgewichtsfeuchte bei normalen Klimazuständen von z. B. 50% relative Luftfeuchte (z. B. 8% für Baumwolle und 15% für Wolle).

Durch Erhöhung der Meßspannung z. B. auf 1000 V und/oder elektro­ nische Kompensation des Ladungsstromes wie im Patent WP 160822 beschrieben, gelingt es, die Grenze des Meßbereiches zu erhöhen. Dennoch reicht dies in vielen Fällen nicht aus, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten (< 50 m/min), bei der Kontrolle von Woll­ stoffen, die aufgrund ihres naturbedingten hohen Widerstandes ge­ nerell zu hoher Aufladung neigen, und dann, wenn aus speziellen technologischen Gründen stark ausgetrocknetes Material bei gerin­ gem Restfeuchtegehalt gemessen werden soll. Die Trocknungsvorge­ schichte wirkt sich bekanntlich wesentlich auf Qualitätseffekte nachfolgender Behandlungsprozesse, wie die Aufnahme von Farbstof­ fen und Textilhilfsmitteln, aus. Weiterhin ist als Nachteil anzu­ führen, daß bei empfindlichen Materialien die auf der Ware auf­ liegenden Walzenelektroden eine nicht tolerierbare Längsstreifig­ keit verursachen können.

Die direkte Nutzung der elektrostatischen Aufladung zur Feuchte­ messung wird im WP 97751 vorgeschlagen. Dieses Verfahren ermög­ licht aber nur eine grobe Aussage dahingehend, ob die Ware noch feucht oder schon trocken ist, da aufgrund vieler Einflußfaktoren kein eindeutiger funktioneller Zusammenhang zwischen Aufladung und Widerstand existiert.

Nach einem im WP 237 706 vorgeschlagenem Verfahren zur Kontrolle des Trocknungsprozesses in Spann-Trocken-Fixier-Maschinen werden im Trockner Elektroden zur Initiierung einer elektrostatischen Aufladung der Ware montiert, um mittels nachfolgend angeordneter Sonden zu erkennen, in welchem Bereich innerhalb des Trockners der Übergang vom feuchten in den trockenen Zustand erfolgt. Die­ ses Verfahren ermöglicht nicht die quantitative Bestimmung der Restfeuchte.

Weitere Verfahren der Feuchtemessung, wie die Mikrowellenabsorp­ tion (AS 1 231 464), die β-Strahlenabsorption und Infrarot­ reflexion (OS 2 353 772) sind technisch sehr aufwendig, im Restfeuchtebereich unempfindlich und erfordern material- und strukturabhängige Eichkurven.

Nach einem weiteren Patent (Aktenzeichen-Nr. P 4221547.1) wird die Feuchtemessung insbesondere im unteren Restfeuchtebereich realisiert, indem mittels einer über der Bahn angeordneten hoch­ spannungsführenden Elektrode in der Bahn eine Ladungsspur in­ fluenziert wird, deren Ladungsdichte als Funktion des elektri­ schen Widerstandes und damit der Feuchte mittels nachfolgend an­ geordneter Sonden berührungslos gemessen wird. Dieses Verfahren ist jedoch nur für die Messung sehr geringer Restfeuchtewerte ge­ eignet und damit auf solche Einsatzgebiete begrenzt, in denen im hohen Widerstandsbereich < 10¹¹ Ohm zu messen ist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist die Geschwindigkeitsabhängigkeit des Meßsignales.

Aufgabe der Erfindung ist, mittels eines berührungslos funktio­ nierenden Verfahrens den Meßbereich zu niedrigen Widerstandswer­ ten hin zu erweitern und damit eine Kontrolle höherer Restfeuch­ tewerte zu ermöglichen.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß in einem loka­ len Bereich der bewegten Flächenbahn ein elektrisches Feld er­ zeugt wird, und daß die abschirmende Wirkung gemessen wird, die der feuchteabhängige Gleichstromwiderstand der Bahn auf dieses Feld verursacht.

Nach einem weiteren Merkmal, der Erfindung wird dieses Feld entwe­ der durch Rechteckimpulse, durch eine periodisch frequenzmodu­ lierte Sinus-Wechselspannung oder durch eine zeitlich konstante Spannung erzeugt.

Erfindungsgemäß wird im Falle des gepulsten Feldes die dem Gleichstromwiderstand der Bahn proportionale Abklingzeit der Im­ pulse, im Falle des frequenzmodulierten Feldes der vom Gleich­ stromwiderstand der Bahn beeinflußte Frequenzgang und im Falle des zeitlich konstanten Feldes die vom Gleichstromwiderstand der Bahn verursachte Feldstärkeänderung ausgewertet, die allerdings geschwindigkeitsabhängig ist.

Die zu messende Flächenbahn bewegt sich dabei erfindungsgemäß be­ rührungslos zwischen 2 Elektroden, deren eine mit dem das Feld initiierenden Potential beaufschlagt wird und deren andere als Feldmeßsonde dient und an ein elektronisches Verstärkersystem an­ geschlossen ist. Aufgrund der Bahnbewegung mit der Geschwindig­ keit v kommt der durch den Flächenwiderstand R der Bahn bedingte Abschirmeffekt nur dann zu einer meßtechnisch erfaßbaren Wirkung, wenn die Aufenthaltszeit der Flächenelemente im Feldbereich in der Größenordnung der Zeitkonstanten τ = R_*C liegt, wobei C die Kapazität zwischen den Elektroden ist. Dies bedeutet, daß die Ausdehnung a der das Feld initiierenden Elektrode in Bahnlauf­ richtung a 0,1_*v_*R_{o *}C sein muß, wobei R_o die obere Meßgrenze des zu erfassenden Flächenwiderstandes darstellt.

Da im Falle der Anwendung eines Gleichspannungsfeldes ein stati­ sches Signal vorliegt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Feld im Bereich der Meßsonde zu modulieren, indem ein schwingen­ des oder rotierendes geerdetes Metallelement so vor der Sonde an­ geordnet ist, daß diese periodisch abgedeckt wird.

Die durch elektrostatische Aufladung der Bahn auftretende Stör­ wirkung wird erfindungsgemäß durch Montage von Spitzenionisatoren 4 beseitigt.

Die Erfindung soll mittels der Zeichnung an Hand von 3 Anwen­ dungsbeispielen erläutert werden.

Die flächenförmige rechteckige Elektrode 1 mit den Abmessungen 300_*30 mm ist parallel in einem Abstand von 30 mm zur bewegten Bahn 2 so angeordnet, daß die lange Seite in Bahnrichtung zeigt. Diese Elektrode wird mit Spannungsimpulsen von 1000 V einer Flan­ kensteilheit von 10⁶ V/s, einer Dauer von 0,5 s und einer Takt­ frequenz von 0,5 Hz beaufschlagt.

Dieser Elektrode 1 gegenüber befindet sich hinter der Bahn 2 ebenfalls in einem Abstand von 30 mm die flächenförmige runde Meßsonde 3 von 30 mm Durchmesser. Diese Sonde ist im Sinne der Warenlaufrichtung unter dem hinteren Ende der Elektrode 1 mon­ tiert und ist an ein elektronisches Auswertesystem mit einem Ein­ gangswiderstand von 10¹⁰ Ohm und einer Eingangskapazität von 200 pF angeschlossen.

Liegt der zu erfassende Flächenwiderstand der Bahn 2 im Bereich von 10⁷ bis 10¹² Ohm - einem für Baumwolltextilien entsprechenden Feuchtegehalt von 10 bis 4% - und beträgt die Kapazität zwischen den Elektroden 1,3 etwa 2 pF, so liegt die von der Sonde 3 und dem elektronischen System zu erfassende Entladezeitkonstante T der Einzelimpulse im Bereich von 2_*10^-5 bis 2 Sekunden.

Einem zweiten Anwendungsbeispiel liegt die gleiche Meßanordnung zugrunde. Anstelle von Rechteckimpulsen wird jedoch an die Elek­ trode 1 eine Wechselspannung von 30 V gelegt, deren Frequenz sich innerhalb einer Periode von 5 Sekunden von 1 Hz auf 100 kHz er­ höht. Aus dem vom Auswertesystem registrierten Frequenzgang der von der Sonde 3 empfangenen Signalamplitude ist damit ein Wider­ standsbereich von etwa 10⁶ bis 10¹² Ohm erfaßbar.

In einem dritten Anwendungsbeispiel liegt an der Elektrode 1 ein konstantes Potential U_o von 10 kV an. In diesem Falle wird in dem Bereich der bewegten Bahn, der der Feldwirkung der Elektrode 1 ausgesetzt ist, nach dem Gesetz U = U_o (1-e^-1/VRC) ein Gegenpo­ tential U aufgebaut, das das von der Elektrode 1 initiierte Feld zur Meßsonde hin abschirmt. Bei einer Bahngeschwindigkeit von v = 100 cm/s und einer Länge der Elektrode von l = 30 cm liegt die er­ faßbare Zeitkonstante R_*C im Bereich von 0,06 bis 6 s, wenn man davon ausgeht, daß mit der Feldmeßsonde 3, vor der ein rotieren­ der Feldmodulator in Form einer Sektorscheibe angeordnet ist, im Bereich von 1% bis 95% der Ausgangsfeldstärke zuverlässig gemes­ sen werden kann. Dies entspricht bei C = 2 pF einem Widerstands­ meßbereich von 2_*10¹⁰ bis 2_*10¹² Ohm.

Claims (7)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung des Restfeuchtegehaltes von bewegten Flächenbahnen aus quellfähigem Material, wie Tex­ tilien aus oder mit Mischungsanteilen aus Regenerat- oder Na­ turfaserstoff, Papier und fotografischer Film auf der Basis der Messung des elektrischen Gleichstromwiderstandes dadurch gekennzeichnet, daß in einem lokalen Bereich der Bahn ein elektrisches Feld erzeugt wird und daß die durch den feuchte­ abhängigen Gleichstromwiderstand der Bahn auf dieses Feld her­ vorgerufene abschirmende Wirkung gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld entweder durch Rechteckspannungsimpulse, durch periodisch frequenzmodulierte Sinus-Wechselspannung oder durch eine zeitlich konstante Spannung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des gepulsten Feldes die dem Gleichstromwiderstand pro­ portionale Abklingzeit der Impulse, im Falle des frequenzmodu­ lierten Feldes der vom Gleichstromwiderstand beeinflußte Fre­ quenzgang und im Falle des zeitlich konstanten Feldes die vom Gleichstromwiderstand der Bahn verursachte Feldstärkeänderung ausgewertet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüber be­ findliche Elektroden (1, 3) angeordnet sind, deren eine mit dem das Feld initiierenden Potential beaufschlagt wird, und deren andere als Feldmeßsonde (3) an ein elektronisches System, be­ stehend aus Impedanzwandler, Verstärker, Analog-Digital-Umset­ zer und Mikroprozessor, angeschlossen ist, und daß sich die zu messende Flächenbahn (2) zwischen diesen Elektroden (1, 3) befindet.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung l der das Feld initiierenden Elektrode (1) in Bahnrichtung l 0.1_*v_*R_*C beträgt, wobei v die maximal auftretende Bahngeschwindigkeit, R_o die obere Meßbereichsgrenze des zu messenden Flächenwider­ standes und C die Kapazität zwischen den Elektroden darstellt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Gleichspan­ nungsfeldes vor der als Meßsonde dienenden Elektrode 3 zum Feld hin ein rotierendes oder schwingendes geerdetes metal­ lisches Element angeordnet ist, daß durch periodisches Abdecken der Elektrode 3 das Feldstärkesignal moduliert.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung von das Feld störender elektrostatischer Aufladungen der Bahn 2 im Sinne der Bahnlaufrichtung vor dem Elektrodensystem ein Spit­ zen-Ionisator 4 montiert ist.