DE4235824A1 - Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Vorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier mittels eines blattförmigen Rakelele­ ments, das die Streichfarbe auf eine über eine Walze geführte Papierbahn aufträgt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens und eine spezielle Ver­ wendung dieser Vorrichtung.
Naturpapiere, wie sie die Papiermaschine verlassen, eignen sich nicht für alle Druckzwecke. Gerade für anspruchsvolle Drucker­ zeugnisse ist die Papieroberfläche nicht gleichmäßig genug. Dort wo besondere Anforderungen an naturgetreue Bildwiedergabe und Brillanz gestellt werden, ist eine glatte, geschlossene Ober­ fläche des Druckträgers notwendig, der die Druckfarbe gleich­ mäßig annimmt. Daher wird auf die Papieroberfläche eine Schicht aus einem bzw. verschiedenen Pigmenten, hauptsächlich Kaolin und Calciumcarbonat, die sogenannte Streichfarbe, aufgetragen. Die­ ser Auftragsvorgang wird als "Streichen" bezeichnet.
Vorrichtungen zum Streichen von Papierbahnen oder auch Karton­ bahnen umfassen als Grundelemente das Auftragwerk, die Trocken­ einrichtung und Meßeinrichtungen. Das Auftragwerk, das auch als Coater bezeichnet wird, dient dazu, die Streichfarbe in der ge­ wünschten Menge auf die Papier- oder Kartonoberfläche aufzutra­ gen und zu egalisieren. Die Trockeneinrichtung dient dazu, das mit der Streichfarbe aufgetragene Wasser aufzuheizen und zu ver­ dunsten bzw. verdampfen, so daß die Streichfarbe eine gleich­ mäßig trockene und mit der Papieroberfläche verbundene Schicht bildet und das Papier für den nächsten Verarbeitungsschritt den notwendigen Feuchtigkeitsgehalt annimmt. Schließlich dienen Meß­ einrichtungen vor dem Auftragwerk und hinter dem Trockner zur kontinuierlichen Erfassung und Kontrolle der wesentlichen Para­ meter, beispielsweise der Strichdicke der auf die Papier- oder Kartonbahn aufgetragenen Streichfarbe. Dabei erweist es sich ins­ besondere beim Anfahren der Maschine beispielsweise nach dem Wechseln des regelmäßig auszuwechselnden blattförmigen Rakelele­ mentes als nachteilig, daß zur Einstellung der Strichdicke je­ weils die Papier- oder Kartonbahn die Streichanlage bis zur hin­ ter der Trockeneinrichtung angeordneten Meßeinrichtung zum Mes­ sen der Strichdicke geführt werden muß. Bis demnach die gewünsch­ te Strichdicke jeweils eingestellt ist, muß ein verhältnismäßig großer Papier- bzw. Kartonausschuß hingenommen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Strichdicke der aufgestrichenen Streichfarbe zu erfassen, ohne einen größe­ ren Ausschuß zu produzieren.
Erfindungsgemäß wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren diese Aufgabe dadurch gelöst, daß kontinuierlich durch berührungsloses Messen der Auslenkung der Bladespitze des blattförmigen Rakel­ elements der Abstand von der Bladespitze des blattförmigen Ra­ kelelements zu der Oberfläche der Papierbahn bestimmt wird. Der Abstand zwischen der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements und der Oberfläche der Papierbahn steht mit der gemessenen Auslenkung des blattförmigen Rakelelements in einer einfachen trigonometrischen Beziehung, so daß aufgrund der kontinuierlich gemessenen Auslenkung unmittelbar der Spalt zwischen der Streich­ kante des blattförmigen Rakelelements zu der Oberfläche der Pa­ pierbahn bestimmt werden kann. Die Strichdicke der Streichfarbe unterscheidet sich von dem jeweils gemessenen Spalt wiederum nur durch einen konstanten Faktor, der von den jeweiligen physikali­ schen Gegebenheiten der aufgetragenen Streichfarbe, des bestri­ chenen Papiers und den Betriebsbedingungen abhängt. Dieser kon­ stante Faktor kann durch Vorversuche festgelegt werden, so daß er für eine festgelegte Paarung eines bestimmten Papier- bzw. Kartontyps mit einer entsprechenden Streichfarbe und den Be­ triebsbedingungen feststeht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Auslenkung des blattförmigen Rakelelements berührungslos ge­ messen wird. Somit kann das blattförmige Rakelelement nach sei­ ner Abnutzung problemlos ausgewechselt werden, ohne entsprechen­ de Sensoren, die gegebenenfalls auf dem Rakelelement angebracht sein können, auswechseln bzw. anschließen zu müssen.
Beispielsweise aus der EP 426 980 A2 ist es bekannt, die Ände­ rung des Winkels der Bladespitze eines Rakelelements durch einen Signalgeber zu erfassen, der unmittelbar oder über eine Halterung mittelbar auf der metallischen Streichklinge haftet. Dieses Verfahren der Winkeländerung weist aber zunächst den Nach­ teil auf, daß durch das unmittelbare Aufbringen des Sensors bzw. das mittelbare Aufbringen des Sensors über ein Halteelement an der entsprechenden Stelle die Biegeeigenschaft des Rakelelements verändert werden. Zum anderen muß jeweils beim Auswechseln des Rakelelements der Sensor neu positioniert und angeschlossen wer­ den. Darüber hinaus wird die vorbekannte Winkelmessung nur zur Regelung einer konstanten Strichqualität und zur Erfassung des Klingenverschleißes verwendet.
Diese Nachteile ergeben sich beim berührungslosen Messen ent­ sprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr.
Zur berührungslosen Messung der Auslenkung der Rakelelements eig­ nen sich vorteilhaft induktive oder kapazitive Sensoren oder auch Sensoren auf Wirbelstrombasis. Schließlich läßt sich das Verfahren der Lasertriangulation besonders vorteilhaft anwenden. Auch das Laser-Dopplerverfahren kann zur berührungslosen Messung der Rakelelementauslenkung eingesetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorge­ nannten Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß der Abstands­ meßsensor für die berührungslose kontinuierliche Abstandsmessung in einer Halterung des blattförmigen Rakelelements derart ange­ ordnet ist, daß die Auslenkung der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements genau erfaßt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft auch zur Be­ stimmung der Viskosität der Streichfarbe unter Betriebsbedingun­ gen verwendet werden, da diese abgesehen von feststehenden geo­ metrischen Konstanten und Materialkonstanten von der Dicke des Spaltes zwischen dem blattförmigen Rakelelement und der Oberflä­ che der Papierbahn abhängt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhaft auch zur Früherkennung nachlassender Strichqualität und der Verschlechte­ rung der Laufeigenschaften der Papierbahn verwenden, da bei­ spielsweise Vibrationen des Blades oder das Aufschwimmen des Blades sofort erkannt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgen­ den anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Anlagenschema einer Streichvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Papierbahnober­ fläche und des in der Haltevorrichtung angeordne­ ten blattförmigen Rakelelements,
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der im erfin­ dungsgemäßen Verfahren angewandten Lasertriangula­ tion und
Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungs­ gemäßen Meßverfahrens.
In Fig. 1 ist ein Anlagenschema für eine doppelseitige Blade-Streichanlage 10 dargestellt. Dort wird das Rohpapier oder der Rohkarton 12 von einer Vorratsrolle 14 abgewickelt und durch eine Meßstation 16 geführt, in der das Basisgewicht und die Ba­ sisfeuchte des Rohpapiers bzw. des Rohkartons gemessen wird. An­ schließend durchläuft die Papier- bzw. Kartonbahn ein erstes Auf­ tragwerk 18, wo über ein blattförmiges Rakelelement 20 - das so­ genannte Blade - die Streichfarbe aufgetragen wird. Anschließend durchläuft die Papier- bzw. Kartonbahn eine Trockeneinrichtung 22, bevor sie einer Meßstation 24 zugeführt wird, wo beispiels­ weise aufgrund der Messung des Fertiggewichts das Strichgewicht der auf einer Seite aufgestrichenen Oberflächenschicht bestimmt wird. Anschließend wiederholt sich der Streichvorgang für die bislang noch nicht beschichtete Oberfläche der Rohpapier- bzw. Rohkartonbahn 12 in einem Auftragwerk 26, bevor die Papier- bzw. Kartonbahn einem Trockner 28 durchläuft. In einer Meßsta­ tion 30 wird dann das Strichgewicht der zweiten beschichteten Oberfläche gemessen. Schließlich wird die doppelseitig bestriche­ ne Papier- bzw. Kartonbahn 12 auf eine Rolle 32 aufgerollt.
Gemäß der schematischen Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einer konventionellen Anlage gemäß Fig. 1 unmittelbar in den Auftragwerken 18 bzw. 26 angeordnet sein kann, wird die Auslenkung f des blattförmigen Rakelelements 20 mittels einer Lasertriangulationsvorrichtung 34 nahe der Bladespitze 36 des blattförmigen Rakelelements kontinuierlich gemessen. Unter Berücksichtigung des Anstellwinkels ϕ des blattförmigen Rakelelements zu der Papier- bzw. Kartonbahn 12 ergibt sich der Abstand f aufgrund der Beziehung
s = f×cos ϕ.
Der Abstand s zwischen der Bladespitze 36 des blattförmigen Ra­ kelelements 20 und der Oberfläche der Papier- bzw. Kartonbahn 12 entspricht der Schichtdicke der zwischen der Papieroberfläche 12 und der Bladespitze 36 hindurchtretenden Streichfarbe 38. Dieser bestimmte Spaltabstand s steht zu der endgültigen Strichdicke d in folgender Beziehung:
dnaß = Const.×s.
dtrocken = Const.′×dnaß.
Die Konstanten Const. und Const.′ hängen von dem eingesetzten Rohpapier- bzw. Rohkarton, der eingesetzten Streichfarbe und den gewählten Maschinenparametern ab. Diese Konstante kann für eine bestimmte Materialpaarung und bestimmte Maschinenparameter vorab bestimmt werden, so daß sie für diese Parameter festliegt und beispielsweise aus dem Speicher einer Zentraleinheit im Anwen­ dungsfall abrufbar ist.
In Fig. 3 ist das Prinzip des Lasertriangulationssensors 34 dar­ gestellt. Dort wird von einer Laserdiode 40 ein Laserstrahl 42 ausgesandt, der auf der Oberfläche des Meßobjektes einen Licht­ fleck produziert. Dieser Lichtfleck wird mit einer Empfangsoptik 44 im Sensorkopf auf einer gestreckten positionsempflichen Foto­ diode 46 abgebildet. Die laterale Verschiebung des Lichtfleckes auf der Fotodiode 46 erzeugt elektrische Ströme, die ein Maß für die lineare Distanz zwischen dem Sensor 34 und dem Meßobjekt sind.
Dieser Lasertriangolationssensor 34 ist in einer Halterung 48 des blattförmigen Rakelelements 20 derart angeordnet, daß der Laserstrahl 42 auf das blattförmige Rakelelement 20 nahe der Bladespitze 36 gerichtet werden kann (vergleiche Fig. 2).
Durch Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine Streichanlage gemäß Fig. 1 kann zur Ermittlung einer Strich­ dicke auf die Meßstationen 24 und 30 verzichtet werden. Vielmehr kann die Strichdicke nach einmal erfolgter Kalibrierung des zu verarbeitenden Systems bei gegebenen Betriebsparametern konti­ nuierlich unmittelbar in den jeweiligen Auftragswerken 18 bzw. 26 ermittelt werden.
Über die hierzu kontinuierlich bestimmte Spaltdicke s läßt sich gleichfalls die Viskosität der Streichfarbe 38 aufgrund folgen­ der Beziehungen bestimmen:
In dieser Beziehung steht η für die zu bestimmende dynamische Viskosität der Streichfarbe. Mit fv ist der Vorspannweg des ela­ stischen blattförmigen Rakelelements 20 bezeichnet. E steht für den Elastizitätsmodul des blattförmigen Rakelelements. L bezeich­ net die Ausladung des blattförmigen Rakelelements 20 (vergleiche Fig. 2). Mit w₀ ist die Walzengeschwindigkeit der Walze, über die die Papier- bzw. Kartonbahn 12 läuft, bezeichnet. h ist die Stärke des blattförmigen Rakelelements. ϕ bezeichnet die Dichte der Streichfarbe. K1 und K2 sind Maschinenkonstanten.
Die kontinuierlich erfaßte Viskosität der verwendeten Streichfar­ be ist einer der bestimmenden Parameter für die Laufeigenschaf­ ten der Streichfarbe und somit der Strichqualität. Diese kann nach der erfindungsgemäßen Verwendung gleichzeitig mit der Strichdicke bestimmt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier mittels eines blattförmigen Rakelelements, das die Streichfarbe auf eine über eine Walze geführte Papierbahn aufträgt, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich durch berührungsloses Messen der Auslen­ kung des blattförmigen Rakelelements nahe seiner Streich­ kante der Abstand von der Bladespitze des blattförmigen Ra­ kelelements zu der Oberfläche der Papierbahn bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Auslenkung ein induktiver Sensor verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Auslenkung ein kapazitiver Sensor verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Auslenkung ein Sensor auf Wirbelstrombasis ver­ wendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Auslenkung die Lasertriangulation verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Auslenkung das Laser-Dopplerverfahren verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Hal­ terung des blattförmigen Rakelelements ein Abstandsmeßsensor derart angeordnet ist, daß die Auslenkung der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements berührungslos kontinuierlich meßbar ist.
8. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Bestimmung der Viskosität der Streichfarbe.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Früherken­ nung nachlassender Strichqualität und der Verschlechterung der Laufeigenschaften.
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