DE4321322B4 - Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Restfeuchtegehaltes von bewegten flächenförmigen Materialbahnen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Restfeuchtegehaltes von bewegten flächenförmigen Materialbahnen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Verfahren zur berührungslosen Messung der Restfeuchte von bewegten Flächenbahnen aus quellfähigem Material, wie Textilien aus oder mit Mischungsanteilen aus Regenerat- oder Naturfaserstoffen, Papier oder Fotofilm auf der Basis der Messung des elektrischen Flächenwiderstandes, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des elektrischen Feldes einer hochspannungsführenden Elektrode (1), die sich zwischen zwei seitlich davon angeordneten, geerdeten Metallflächen (2) befindet, ein Ladungssignal influenziert wird, dessen zeitliches Verhalten mittels in Warenlaufrichtung nacheinander über der Bahn angeordneten Ladungsmeßsonden (3, 4) und einer seitlich von diesen angeordneten Ladungsmeßsonde (5) erfaßt werden, und daraus der elektrische Flächenwiderstand und die damit zusammenhängende Restfeuchte ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Restfeuchtegehaltes von flächenförmigen Materialien aus quellfähigem Material, wie Textilien aus oder mit Mischungsanteilen von Regeneratfaserstoff und Naturfasern, Papier oder Fotofilm, insbesondere von bewegten flächenförmigen Materialbahnen zur Kontrolle des Trocknungsprozesses in Bahntrocknern.
  • Es ist bekannt, daß Restfeuchte von Textilien, Papier und Fotofilm konduktometrisch gemessen werden kann, wobei der logarithmische Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand und dem Restfeuchtegehalt genutzt wird. Bei Flächengebilden ist dieser Zusammenhang weitgehend unabhängig von der Flächenmasse. Als Meßelektroden dienen Kontaktflächen aus leitfähigem Material, bei Flächenbahnen Walzen oder Rollen, wobei der elektrische Widerstand entweder zwischen zwei benachbarten, gegeneinander isolierten Walzen oder einer Führungswalze der Bahn und einer auf der Walze aufliegenden, als Meßelektrode dienenden Walze gemessen wird. Diese Meßtechnik ermöglicht eine Aussage über den prozentualen Feuchtegehalt, und zwar auch dann, wenn es sich um Mischware mit Anteilen an synthetischem Material handelt.
  • Dieses Meßprinzip erfordert zur Realisierung eines breiten Meßbereiches eine Logarithmierung des Meßsignales, so wie es in der DE-PS 1 209 777 A beschrieben ist.
  • Um ein unzulässiges Anwachsen des Meßstromes zu vermeiden, wird nach der Patentschrift US 3,434,050 eine Schaltung zur Anpassung des Meßstromes an die Größe des zu bestimmenden Widerstandes vorgeschlagen.
  • Ein wesentliches Problem bei der konduktometrischen Feuchtebestimmung besteht darin, daß elektrostatische Aufladungen der Warenbahn die Messung erheblich stören können. So kann die an den Rollen getrennte Ladung einen in den Meßkreis fließenden Strom verursachen, der insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und im Bereich geringer Restfeuchte den Meßstrom um Größenordnungen übersteigen kann. Dieser Umstand hat zur Folge, daß Widerstandswerte oberhalb von 109Ω in bestimmten Fällen nicht mehr zuverlässig gemessen werden können. Dies entspricht Restfeuchtewerten im Bereich der Gleichgewichtsfeuchte bei normalen Klimazuständen von z.B. 50% relative Luftfeuchte (z.B. 6% für Baumwolle und 10% für Wolle).
  • Durch Erhöhung der Meßspannung auf z.B. 1000 V und/oder elektronische Kompensation des Ladungsstromes gelingt es, die Grenze des Meßbereiches zu erhöhen. Dennoch reicht dies in vielen Fällen nicht aus, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten der Warenbahn (> 50 m/min) oder bei der Kontrolle von Wollstoffen, die aufgrund ihres natur bedingten hohen Widerstandes generell zu hoher Aufladung neigen; auch dann, wenn aus speziellen technologischen Gründen stark ausgetrocknetes Material bei geringem Restfeuchtegehalt gemessen werden soll.
  • Weiterhin ist von Nachteil, daß bei empfindlichen Materialien die aufliegenden Walzenelektroden eine nicht tolerierbare Längsstreifigkeit verursachen können.
  • Auch wurde die direkte Nutzung der elektrostatischen Aufladung zur Feuchtekontrolle bereits vorgeschlagen. Dabei ist aber keine quantitative Aussage über den Feuchtegehalt möglich, sondern es läßt sich nur erkennen, ob die Ware noch feucht oder schon trocken ist. Es ist kein eindeutiger funktioneller Zusammenhang zwischen Aufladung und Feuchtegehalt angegeben.
  • Nach einem weiteren bekannten Verfahren zur Kontrolle des Trocknungsprozesses in Spann-Trocken-Fixier-Maschinen werden in der Maschine 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. Dieses Verfahren ermöglicht ebenfalls nicht die quantitative Bestimmung der Restfeuchte.
  • Weitere Verfahren der Feuchtemessung; wie die Mikrowellenabsorption (DE-AS 1 231 464), die Beta-Strahlenabsorption und Infrarotreflexion ( DE 2 353 772 A1 ) sind technisch sehr aufwendig, im Restfeuchtebereich unempfindlich und erfordern materialabhängige und strukturabhängige Eichkurven.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungslos arbeitendes Verfahren zur konduktometrischen Feuchtemessung anzugeben, bei dem der störende Einfluß der elektrostatischen Aufladung beseitigt und die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht und der Meßbereich erweitert ist sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
  • Ein Verfahren zur Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Anspruch 6 angegeben.
  • Nach der Erfindung wird durch das elektrische Feld einer z.B. mit hoher Gleichspannung von 10 kV beaufschlagten Hochspannungselektrode lokal im Flächengebilde eine Ladungsspur influenziert, deren Höhe und Profil durch nachfolgend angeordnete Ladungsmeßsonden erfaßt werden. Nach den bekannten Gesetzen des Ladungsaufbaues im Feld und der nachfolgenden Entladung wird der elektrische Widerstand und die damit zusammenhängende Restfeuchte ermittelt.
  • Der von der Geometrie der Anordnung, von der Warengeschwindigkeit v und dem elektrischen Flächenwiderstand ρS der Bahn abhängige Aufbau der Ladungsspur der Dichte σ erfolgt annähernd nach dem Gesetz der Kondensatoraufladung
    Figure 00040001
    wobei σS die Sättigungsladungsdichte und L die Länge der Elektrode in Warenlaufrichtung sind; k1 ist eine geometrieabhängige Konstante.
  • Nach Verlassen des Feldes der Hochspannungselektrode kann diese linienförmige Ladungsansammlung nach der Seite hin wieder breit fließen. Dieser Entladevorgang vollzieht sich in der Mitte der Ladungsspur nach der Funktion
    Figure 00050001
    mit
    Figure 00050002
    Dabei sind σ0 die während des Aufenthaltes im Feldbereich der Elektrode influenzierte Ladungsdichte, y die nach dem Verlassen des Feldbereiches zurückgelegte Wegstrecke und k2 eine geometrieabhängige Konstante.
  • Aus den Formeln ist ersichtlich, daß durch die Messung des Ladungssignals σ mittels zweier Ladungssonden, die nacheinander in Warenlaufrichtung in der durch die Achse der Hochspannungselektrode bestimmten Linie angeordnet sind, der elektrische Flächenwiderstand ρ als Maß für den Feuchtegehalt der Ware eindeutig bestimmt werden kann. Die vorteilhaft seitlich angeordnete Ladungssonde 5 ermöglicht die Kontrolle des Ladungsprofils über die Breite hin und liefert damit eine zusätzliche, das Meßergebnis präzisierende Information.
  • Dem angewandten Meßprinzip liegt der Sachverhalt zugrunde, daß die erforderliche Zeitdauer zur Influenzierung eines meßbaren Ladungssignals in einem elektrischen Hochspannungsfeld um mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Zeit, in der dieses Signal durch nachfolgende Entladung wieder verschwindet. Dies ermöglicht, daß dieses Signal nach dessen Entstehung durch nachgeordnete Sonden über einen Widerstandsbereich der Ware von Größenordnungen noch erfaßbar ist.
  • Anstelle mit hoher Gleichspannung kann die Hochspannungselektrode auch mit Hochspannungsimpulsen oder einer hohen Wechselspannung beaufschlagt werden, wodurch nachfolgend durch die Bewegung der Warenbahn von den Sonden zeitlich intermittierende Potentialimpulse oder eine Wechselspannung signalisiert werden, deren Amplitude ausgewertet wird, ohne daß sie eine zusätzliche Modulierung erforderlich macht.
  • Die Hochspannungsimpulse können vorteilhaft mittels eines piezoelektrischen Elementes mechanisch oder elektromechanisch erzeugt werden.
  • Um die Abstandsabhängigkeit der gemessenen Signale zu reduzieren, werden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zu beiden Seiten symmetrisch zur Warenbahn je eine hochspannungsführende Elektrode und Ladungsmeßsonden angeordnet, deren Meßsignale addiert werden.
  • Bei einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens mit z.B. hoher Gleichspannung erfolgt die Messung des lokalen Ladungszustandes der Ware erfindungsgemäß mittels Sonden, die in einer Ebene parallel über der Warenbahn angeordnet sind. Zur Modulation des von den Sonden empfangenen Ladungssignals rotiert über diesen zur Warenbahn hin eine geerdete, aus leitfähigem Material bestehende Loch-, Schlitz- oder Flügelscheibe, die die Sonden periodisch abdeckt und wieder freigibt. Dabei ist die Hochspannungselektrode vorzugsweise linienförmig ausgebildet und parallel zur Warenlaufrichtung über der Flächenbahn angeordnet.
  • Um Störungen zu vermeiden, die durch reibungselektrisch bedingte Aufladungen der Warenbahn entstehen, ist in Weiterbildung der Erfindung vor der Hochspannungselektrode ein nach bekanntem Prinzip funktionierender Stabionisator vorgesehen.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
  • An den beiden stabförmigen, zu beiden Seiten der Warenbahn in einem Abstand von je 30 mm über dieser angeordneten Elektroden 1 mit einem Durchmesser von 10 mm und der Länge L = 300 mm liegt eine Gleichspannung von +10 kV an. Seitlich von diesen Elektroden befinden sich im lichten Abstand von d = 60 mm je zwei geerdete Metallflächen 2, die zur Verstärkung des Feldes in der Ebene der Warenbahn dienen. Die Baumwoll-Warenbahn, deren Flächenwiderstand beispielsweise bei einer Restfeuchte von 2% und einer aktuellen Temperatur von 50°C etwa 2·1013Ω beträgt, bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 60 m/min. Zu beiden Seiten der Bahn im senkrechten Abstand von 30 mm von dieser befinden sich jeweils in einer Ebene liegend die Sondenpaare 3 bzw. 4, deren Abstand in Warenlaufrichtung von der Elektrode 1 = 200 mm und deren gegenseitiger Abstand ebenfalls in Warenlaufrichtung c = 200 mm beträgt, und das Sondenpaar 5, das in Höhe des Sondenpaares 3 liegt aber um 60 mm seitlich versetzt ist. Der Durchmesser der Sondenflächen beträgt 30 mm.
  • Um die in den Sonden influenzierten Ladungssignale zu modulieren, rotiert unmittelbar über den Sonden zur Warenbahn hin jeweils eine leitfähige, geerdete Lochscheibe, die die Sondenflächen mit einer Frequenz von 200 Hz periodisch abdeckt und wieder freigibt.
  • In dem unter der Hochspannungselektrode 1 sich bewegenden linienförmigen Flächenbereich der Warenbahn baut sich unter dem Einfluß der Hochspannung eine Ladungsspur auf, deren Dichte nach Verlassen des Feldes der Elektrode 3,6 pC/cm2 beträgt. Diese Ladung wird von den Sondenpaaren 3 bzw. 4 signalisiert, da diese sich aufgrund des hohen Widerstandes bis zum Erreichen der Sonden nicht spürbar verändert hat. Die Sonde 5 erhält in diesem Falle kein nennenswertes Signal, da die Ladungsspur auf der durch die Elektrode 1 gegebenen Linie konzentriert ist.
  • Beträgt nun in einem anderen Falle der Flächenwiderstand der Ware nur 1010Ω, was einer Restfeuchte von 5,5% bei der aktuellen Temperatur von 50°C entspricht, so liegt die Ladungsdichte der Spur nach Verlassen des Feldes bei 110 pC/cm2. Diese reduziert sich bis zum Erreichen der Sonde 3 auf 10,2 pC/cm2 und in Höhe der Sonde 4 auf 7,3 pC/cm2. Bedingt durch das Breitfließen der Ladung signalisiert in diesem Falle die Sonde 5 eine Ladungsdichte von 9,9 pC/cm2.
  • In einem dritten, beispielhaft angenommenen Fall betrage bei ebenfalls 50°C die Warenbahnfeuchte 3,7%, was einem Widerstand von 3·1011Ω entspricht. Die Ladungsdichten, die von den Sonden 3, 4 und 5 gemessen werden, betragen dann 45,3; 34,4 und 22,8 pC/cm2.
  • Auf der Grundlage der für den Ladungsaufbau und die nachfolgende Entladung geltenden bekannten Gesetze kann somit eindeutig aus den drei ermittelten Meßwerten der elektrische Widerstand und damit die Restfeuchte der Warenbahn errechnet werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Restfeuchte von bewegten Flächenbahnen aus quellfähigem Material, wie Textilien aus oder mit Mischungsanteilen aus Regenerat- oder Naturfaserstoffen, Papier oder Fotofilm auf der Basis der Messung des elektrischen Flächenwiderstandes, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des elektrischen Feldes einer hochspannungsführenden Elektrode (1), die sich zwischen zwei seitlich davon angeordneten, geerdeten Metallflächen (2) befindet, ein Ladungssignal influenziert wird, dessen zeitliches Verhalten mittels in Warenlaufrichtung nacheinander über der Bahn angeordneten Ladungsmeßsonden (3, 4) und einer seitlich von diesen angeordneten Ladungsmeßsonde (5) erfaßt werden, und daraus der elektrische Flächenwiderstand und die damit zusammenhängende Restfeuchte ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) mit hoher Gleichspannung beaufschlagt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) mit Hochspannungsimpulsen oder hoher Wechselspannung beaufschlagt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse durch mechanische oder elektromechanische Belastung eines piezoelektrischen Elementes initiiert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale mehrerer seitlich angeordneter Ladungsmeßsonden (5) vor der Auswertung addiert werden.
  6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Ladungsmeßsonden (3, 4 und 5) in einer Ebene parallel zur Warenbahn angeordnet sind und vor diesen Sonden zur Warenbahn hin eine rotierbare Loch-, Schlitz- oder Flügelscheibe aus leitfähigem Material geerdet angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (1) linienförmig ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet daß die Hochspannungselektrode (1) parallel zur Warenlaufrichtung über der Flächenbahn angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zu beiden Seiten der Materialbahn je eine Hochspannungselektrode (1) und eine Ladungsmeßsonde (5) angeordnet sind.
  10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Störungen durch triboelektrisch entstandene Aufladung der Warenbahn bezogen auf die Warenlaufrichtung vor der Hochspannungselektrode (1) ein Ionisator (6) zur Beseitigung dieser Ladung angeordnet ist.
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