DE69115461T2

DE69115461T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung der flexibilität von fasern

Info

Publication number: DE69115461T2
Application number: DE69115461T
Authority: DE
Inventors: Per-Ivar S-184 32 Akersberga Fransson; Hakan S-184 61 Akersberga Karlsson; Lehard S-186 31 Vallentuna Kastre
Original assignee: Svenska Traforskningsinstitutet; STFI Skogsindustrins Tekniska Forskningsinstitut AB
Current assignee: Svenska Traforskningsinstitutet; STFI Skogsindustrins Tekniska Forskningsinstitut AB
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2011-09-26
Also published as: ATE131614T1; FI101904B1; CA2069508C; SE9003056L; US5331405A; FI101904B; CA2069508A1; FI922371A0; JPH05503782A; JP2854975B2; SE9003056D0; EP0502168B1; EP0502168A1; FI922371A7; DE69115461D1; WO1992005423A1; SE465983B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Flexibilität von Fasern, insbesondere Zellulosefasern, in einer fließenden Suspension. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zum Messen der Flexibilität von Fasern gemäß dem neuen Verfahren.
Um die Qualität von Papier bei Papierherstellungsprozessen variieren zu können, ist es wichtig, die verschiedenen Eigenschaften des bei diesen Prozessen verwendeten Fasermatenais zu kennen. Papier der gewünschten Art und Qualität kann durch Steuern der Fasereigenschaften der verwendeten Fasern hergestellt werden. Eine der Eigenschaften des verwendeten Fasermaterials ist die Flexibilität der eigentlichen Faser selbst. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, mittels welcher Faserflexibilität gemessen werden kann. Diese bekannten Verfahren basieren auf der Messung einzelner Fasern oder Faserproben, welche auf eine bestimmte Art angeordnet werden, einer Last ausgesetzt werden, und beispielsweise die Krümmung nach unten oder die Biegung der Fasern wird aufgezeichnet.
Ein derartiges Meßverfahren ist in einem in der Veröffentlichung Pulp and Paper, Kanada, 83:2(1982) vorgestellten Artikel mit dem Titel "The Flexibility of Wet Pulp Fibres" von P.A. Tam Doo und R.J. Kerekes beschrieben, bei welchem ein Faserhaltesystem verwendet wird, um einzelne Fasern zu messen. Der Artikel offenbart auch die Bedeutung des Messens der Faserflexiblität.
Ein Beispiel eines Laborverfahrens zum Messen der Faserflexiblität ist in einem in der Veröffentlichung Paper and Paper Magazine of Canada, Mai 1958 vorgestellten Artikel mit dem Titel "The Hydrodynamic Behavior of Paper-Making Fibres" von O.L. Forgacs, A.A. Robertson und S.G. Mason beschrieben. In diesem Fall werden Fasern im laminaren Fluß in einem Scherfeld bezüglich der Drehwege der Fasern klassifiziert, wobei mehrere verschiedene Drehwege, welche von der Flexibilität der Fasern abhängig sind, beschrieben werden.
Wie vorangehend angegeben, werden die oben genannten bekannten Verfahren ausschließlich für prozeßunabhängige Meßzwecke angewendet. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es jedoch, es zu ermöglichen, daß die Flexibilität von Fasern automatisch, d.h. schnell gemessen wird, so daß die Faserflexibilität prozeßgekoppelt gemessen werden kann. Natürlich soll der Meßprozeß in der Lage sein, auf eine einfache Weise ausgeführt zu werden und ein definiertes Meßergebnis zu liefern.
Ein Beispiel eines Verfahrens und einer Vorrichtung einer anderen Art ist in dem US-Patent Nr. 4 253 329 offenbart. In diesem Patent wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Faserflexibilität einen Einfluß auf die Fähigkeit der Fasern, einen Filter zu durchlaufen, hat. Dies gilt nicht für die Prinzipien der Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das in der Einleitung beschriebene Faserflexibilität-Meßverfahren gekennzeichnet durch Registrieren der Faserform einer großen Zahl von Fasern bei zwei verschiedenen Fließzuständen der Suspension, welche zum Beispiel durch Variieren der Fließgeschwindigkeit der Suspension im Rahmen einer gegebenen Fließgeometrie erzeugt werden, wobei eine vorbestimmte Faserformrechengröße für jeden Fließzustand ermittelt wird, wobei weiter eine Relation, z. B. der Quotient, zwischen den beiden Messungen der vorbestimmten Faserformrechengröße, d. h. der mittleren Faserformrechengröße, bestimmt wird und wobei diese Relation verwendet wird, um die Faser flexibilität zu bestimmen. Vorteilhafte Ausführungsformen des neuen Meßverfahrens sind in den folgenden abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben.
Es wird angemerkt, daß mehrere verschiedene Verfahren bekannt sind, mittels welcher die Faserformrechengröße definiert werden kann. Bei den im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführten Meßprozessen wurde die Faserformrechengröße als das Verhältnis zwischen der tatsächlichen oder wahren Faserlänge und der Länge der Diagonalen in einem fest angeordneten Rechteck, welches die Faser umschreibt, angegeben. Die Orientierung des Rechtecks wurde hiermit festgelegt und an die Apparatur und nicht an die Richtung der Faser gekoppelt. Es wurde auch angenommen, daß die Faser in einer zweidimensionalen Ebene angeordnet ist.
Die zum Zwecke der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebaute Anordnung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: einen Durchflußbehälter für die fließende Suspension, ein transparentes Fenster in der Behälterwand, eine Kamera vom CCD-Typ zum Photographieren von Fasern, die das Fenster passieren, eine Bildanalyseeinheit, welche mit der Kamera gekoppelt ist, eine Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten von von der Bildanalyseeinheit gelieferter Information und eine Pumpe (22), welche dahingehend wirkt, das Fließen der Suspension durch den Durchflußbehälter (20) zu regulieren, wobei eine Pumpen-Steuereinheit (24), welche elektrisch an die Datenverabeitungseinheit (36) gekoppelt ist, die Pumpe (22) und damit die Fließgeschwindigkeit der Suspension durch den Durchflußbehälter (20) steuert.
Vorteilhafte Ausführungsformen der neuen Meßanordnung sind in den folgenden abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf eine erläutern de Apparatur zum Messen der Faserflexibilität genauer beschrieben, wobei
Figur 1 eine schematische Ansicht der neuen Meßanordnung ist, wenn sie zum Messen der Flexibilität von Fasern in einer aus einer Prozeßleitung erhaltenen Fasersuspension verwendet wird, und
Figur 2 das Ergebnis der Messung der Flexibilität von Zellulosefasern bei verschiedenen Flußraten der Suspension illustriert.
Links in Figur 1 ist eine Prozeßleitung 10 gezeigt, durch welche Fasersuspension geleitet wird, während rechts dieser Leitung ein erläuterndes Beispiel einer Meßanordnung gezeigt ist, welche gemäß der Erfindung aufgebaut ist und dahingehend wirkt, einen prozeßgekoppelten Meßprozeß auszuführen. Eine mit der Prozeßleitung 10 verbundene Nebenoder Zweigleitung 12 erstreckt sich zu einem Tank 14 hin, in welchem die aus der Prozeßleitung 10 entnommene Fasersuspension auf eine gewünschte Konsistenz verdünnt wird. In der Zeichnung ist auch ein Hahn 16 gezeigt, aus welchem verdünnendes Wasser entnommen wird. In dem Verdünnungstank 14 ist ein Rotor 18 angebracht, mittels welchem die verdünnte Suspension gründlich vermischt wird. Die verdünnte Suspension wird von dem Verdünnungstank 14 zu einer Leitung 20 geführt, durch welche die Suspension mit der gewünschten Rate gefördert wird. Die Flußrate wird mittels einer Pumpe 22 reguliert, welche mittels einer Pumpen-Steuereinheit 24 gesteuert wird. In der Wandung der Leitung 20 ist ein transparentes Fenster 26 angebracht, welches eine Küvette umfassen kann, wo die Suspension durch eine Verengung 28 in Form eines Spalts gezwängt wird, dessen eine Abmessung in der Größenordnung von Millimetern liegt und dessen andere Abmessung, senkrecht zur Flußrichtung, größer ist als die maximale Faserlänge. Benachbart zu der Küvette ist an einer Seite der Leitung 20 eine Kamera 30 vom CCD-Typ angebracht, während auf der anderen Seite der Leitung 20 eine lichtemittierende Vorrichtung 32 angebracht ist, welche dahinge hend wirkt, die durch die Küvette fließende Fasersuspension zu beleuchten.
Die CCD-Kamera 30 liefert Information in Signalform an eine Bildanalyseeinheit 34, beispielsweise des Typs GOP 300, in welcher von der Kamera 30 erhaltene Information analysiert wird. Die an jeder von der CCD-Kamera 30 fotografierten Faser ausgeführte Analyse betrifft die Umfangslänge der Faser, d.h. deren Umfang, ihre Fläche und ihre Erstreckung in die X- und Y-Richtungen. Die beiden letzten Parameter werden zum Berechnen der Länge der Diagonalen in dem Rechteck verwendet, welches die Faser umschreibt. Die Umfangslänge wird zur Längenberechnung verwendet. Da die Länge einer Faser wesentlich größer ist als ihre Dicke, wird die durch zwei (2) dividierte Umfangslänge einen ausreichend genauen Meßwert der Länge der Faser liefern. Es ist beabsichtigt, daß das Volumen der Faser aus der Fläche der Faser und ihrer Länge bestimmt werden kann und daß dieses Volumen dann als Wichtungsfaktor verwendet wird, wenn Mittelwertberechnungen ausgeführt werden.
Die Bildanalyseeinheit 34 weist eine Verbindung zum elektrischen Austausch mit einer Datenverarbeitungseinheit 36 auf, welche mit einem Bildschirm 38, auf welchem Daten dargestellt werden, und der vorher erwähnten Pumpen-Steuereinheit 24 verbunden ist.
Das in Figur 2 dargestellte Diagramm erläutert Messungen, welche aus Fasern mit voneinander verschiedener Flexibilität erhalten wurden. Man erkennt aus dem Diagramm, daß eine chemische Pulpe, d.h. eine verdaute Pulpe, in welcher die Fasern chemisch aufgeschlossen wurden, flexibler ist als eine mechanische Pulpe, d.h. eine Pulpe, welche mechanisch zerkleinert wurde, was in guter Übereinstimmung mit bekannten Tatsachen steht. Bei Ausführung des Meßprozesses umfaßte jede Meßsequenz 10000 Fasern, und die Breite des Meßspalts in der Küvette betrug 0,5 mm. Die Zahlen entlang der X-Achse des Diagramms geben die Drehgeschwindigkeit (U/min) der in die Leitung 20 der Ausführungsform der Figur 1 eingefügten Pumpe an. Die Rate des Suspensionsflusses durch die Leitung 20 ist somit zu dieser Geschwindigkeit linear proportional. Die Zahlen entlang der Y-Achse des Diagramms geben die Prozentsätze bezüglich des Verhältnisses zwischen der vorangenannten Rechteckdiagonalen d und der Faserlänge L an. Wenn somit die Biegung der Faser in Antwort auf eine zunehmende Belastung zunimmt, nimmt somit der Durchmesser in dem kleinsten beschreibenden Rechteck ab. Da die Länge der Faser unverändert ist, wird in Übereinstimmung mit dieser Definition ein längerer Meßwert für die Faserformrechengröße (d/L) erhalten.
Es versteht sich, daß das beschriebene Verfahren und die Anordnung innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche modifiziert werden können. Das Verfahren zum Erzeugen verschiedener Fließzustände kann ebenfalls variiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Flexibilität von Fasern, insbesondere Zellulosefasern, in einer fließenden Suspension, gekennzeichnet durch Registrieren der Faserform einer großen Zahl von Fasern bei zwei verschiedenen Fließzuständen der Suspension, welche zum Beispiel durch Variieren der Fließgeschwindigkeit der Suspension im Rahmen einer gegebenen Fließgeometrie erzeugt werden, wobei eine vorbestimmte Faserformrechengröße für jeden Fließzustand ermittelt wird, wobei weiter eine Relation, z. B. der Quotient, zwischen den beiden Messungen der vorbestimmten Faserformrechengröße, d. h. der mittleren Faserformrechengröße, bestimmt wird und wobei diese Relation verwendet wird, um die Faserflexibilität zu bestimmen.

2. Verfahren zum Messen der Flexibilität von Fasern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufzeichnen einer Messung der Faserformrechengröße aus einzelnen Fließbildern, indem mehr als 1000 Fasern, bevorzugterweise 5000 - 10000 Fasern, photographiert und anschließend analysiert werden.

3. Verfahren zum Messen der Flexibilität von Fasern nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Beschleunigen und/oder Verzögern der fließenden Fasersuspension in einer sonst unveränderten Fließgeometrie, derart daß verschiedene Fließzustände erhalten werden.

4. Verfahren zum Messen der Flexibilität von Fasern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Ausdrücken der vorbestimmten Faserformrechengröße jeder Faser als den Quotienten zwischen der Länge der Diagonalen (d) eines die Faser umschreibenden Rechtecks und der Länge (L) der Faser.

5. Vorrichtung zum Messen der Flexibilität von Fasern, insbesondere Zellulosefasern, entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt: einen Durchflußbehälter (20) für die fließende Suspension, ein transparentes Fenster (26) in der Behälterwand, eine Kamera (30) vom CCD-Typ zum Photographieren von Fasern, die das Fenster passieren, eine Bildanalyseeinheit (34), welche mit der Kamera (30) gekoppelt ist, eine Datenverarbeitungseinheit (36) zum Verarbeiten von von der Bildanalyseeinheit (34) gelieferter Information, und eine Pumpe (22), welche dahingehend wirkt, das Fließen der Suspension durch den Durchflußbehälter (20) zu regulieren, wobei eine Pumpen-Steuereinheit (24), welche elektrisch an die Datenverabeitungseinheit (36) gekoppelt ist, die Pumpe (22) und damit die Fließgeschwindigkeit der Suspension durch den Durchflußbehälter (20) steuert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 zum Messen der Flexibilität von Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinheit (36) jeweils für das Steuern des Fließens der Suspension durch den Behälter (20), für Berechnungen und für Darstellung auf einem Bildschirm (38) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (20) mit einer Prozessleitung (10) für Fasersuspension in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tank (14) zum Verdünnen der von der Prozessleitung entnommenen Fasersuspension, in Zuführrichtung der Suspension gesehen, stromaufwärts der Pumpe (22) in dem Behälter (20) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (26) in dem Durchflußbehälter (20) ein Küvette umfaßt, an welche angrenzend die Bildregistrierung stattfindet, und daß eine Licht emittierende Quelle (32) an der der Kamera (30) gegenüberliegenden Seite der Küvette angebracht ist, um die Fasersuspension zu beleuchten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette einen Spalt in dem Behälter (20), d. h. einen engen Durchgang in Meßrichtung bildet, und daß die Fasern in der Lage sind, sich in den beiden verbleibenden Richtungen frei zu bewegen.