DE69630650T2 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung und regelung der oberflächenbeschaffenheit von bandförmigen materialien,wie papier - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erfassung und regelung der oberflächenbeschaffenheit von bandförmigen materialien,wie papier Download PDF

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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
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Description

  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Messen und Steuern von bestimmten Charakteristiken, beispielsweise einer Glätte, der Oberfläche einer sich bewegenden Schicht, beispielsweise eines Papiergewebes, On-line (während eines Betriebs) und in einer nicht-kontaktierenden Weise.
  • 2. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Oberflächencharakteristiken von Papier sind sowohl für Hersteller als auch für Anwender eines breiten Bereichs von Papierprodukten, die Papier mit einer Druckqualität, ein Gewebe, Zeitungspapier, ein Auskleidungspapier, und so weiter einschließen, wichtig. Bei der Herstellung von Papier und Pappe ist zum Beispiel die Druckfähigkeit eine wichtige Oberflächeneigenschaft, die gemessen und gesteuert werden soll. Eine Druckfähigkeit ist nicht nur wichtig für Druckqualitäts-Papier, wie Magazinpapier und Zeitungspapier, sondern auch für ein Auskleidungspapier und für Kraft Papier, da die Außenseite von Schachteln und Taschen mit Logos und anderer Information der Hersteller bedruckt wird.
  • "Druckfähigkeit" bezieht sich auf die Charakteristiken des Papiers, die ein Drucken mit hoher Qualität möglich machen. Die Eigenschaften, die die Druckfähigkeit beeinträchtigen, umfassen unter anderem die Oberflächenglätte und die Oberflächenkomprimierbarkeit. Eine Oberflächenglätte wird als die wichtigste Charakteristik für sämtliche Druckprozesse angesehen. Hohe Punkte auf der Oberfläche tendieren dazu die Farbe bzw. Tinte nicht zu halten, weil der Druck zwischen den hohen Punkten und der Druckplatte die Tinte bzw. Farbe herausquetscht. Niedrige Punkte auf der Oberfläche sind nicht in der Lage Farbe aufzunehmen, weil sie die Druckplatte niemals kontaktieren. In Bezug auf eine Oberflächenkomprimierbarkeit fordern einige Druckprozesse, wie eine Rotogravur, ein Papier mit einem hohen Grad einer Komprimierbarkeit. Der hohe Druck, der in der Druckpresse verwendet wird, erlaubt der Oberfläche sich der Druckplatte anzupassen. Papier mit einer relativ rauben Oberfläche in dem nicht komprimierten Zustand kann trotzdem gute Druckfähigkeits-Qualitäten wegen seiner Oberflächen-Komprimierbarkeit aufweisen.
  • Bis zu einem Punkt verbessert eine erhöhte Glätte, das heißt verringerte Abweichungen von einer idealen Ebene, die Druckfähigkeit von Papier. Eine glatte Oberfläche tendiert dazu, zu verhindern, dass Farbe die Zwischenräume des Papierfasersubstrats in einer Weise infiltriert, die ähnlich zu der Absorption von Farbe von einem Tinten-Plotter ist. Somit gibt es eine wichtige Beziehung zwischen der Oberflächenglätte und der Druckqualität, das heißt der Druckdichte-Gleichförmigkeit.
  • In dem hier verwendeten Sinn bezieht sich "Glätte" (und deren Gegenteil "Rauhigkeit") auf die Mikrotopographie der Oberfläche der Schicht. Glättemessungen sind nicht wichtig hinsichtlich des absoluten Orts der Oberfläche, sondern anstelle davon für das Ausmaß, um das der Oberflächenort von einer idealen oder mittleren Ebene abweicht oder sich davon verändert. Derartige Glätte-Höhenveränderungen sind extrem klein, in der Größenordnung von 10 Mikrometern. Um aussagekräftige Glättemessungen zu erhalten ist es auch notwendig die Skalierungsgröße oder das Intervall (d. h. die Wellenlänge) zu kennen, über der/dem die Höhenveränderungen auftreten. Kleine Höhenveränderungen, die über einen Abstand von mehreren Zentimetern auftreten, werden einen sehr geringen Einfluss auf die Glätte und demzufolge auf die Druckfähigkeit aufweisen, während die gleichen Veränderungen, wenn sie nur über ein 1 mm Intervall auftreten, signifikante Effekte aufweisen könnten. Für die Zwecke einer Bestimmung der Glätte in dem Sinn, in dem dieser Ausdruck hier verwendet wird, ist es am nützlichsten Höhenveränderungen innerhalb von mehreren spezifischen Skalierungsgrößen-Bereichen, zum Beispiel 20 bis 100 Mikrometer, 100 bis 200 Mikrometer, 200 bis 400 Mikrometer etc. zu bestimmen. In Abhängigkeit von dem Prozess werden einige Skalierungsgrößen-Bereiche wichtiger als andere sein.
  • Laborinstrumente sind entwickelt worden, die innerhalb der Papierindustrie für die Bestimmung der Oberflächenglätte defakto einen Standardstatus erreicht haben. Während ihrer weit verbreiteten Popularität ist es wünschenswert, dass jegliche Technik zum Bestimmen der Papierglätte on-line (während des Betriebs) Ergebnisse bereitstellt, die gut mit den Ergebnissen korrelieren, die von diesen anerkannten defakto standardmäßigen Laborinstrumenten korrelieren.
  • Traditionell ist eine Oberflächenglätte, als eine Vorhersage über die Druckfähigkeit, in dem Labor durch verschiedene Arten von Luftleck-Tests, beispielsweise nach Sheffield, Parker Print Surf (PPS), BEKK und Bendtsen, gemessen worden. Die Instrumente, die in diesen Tests verwendet werden, bestehen allgemein aus einer gaseinschließenden Wand oder einem Zylinder mit einer Endoberfläche, die in Kontakt mit der Oberfläche einer Testschicht gebracht wird. Gas von einer verdichteten Quelle wird in den Zylinder gelassen und die Rate, bei der das Gas vorbei an der Schnittfläche des Zylinderendes und der Papieroberfläche leckt, wird als eine Bestimmung der Papieroberflächenglätte verwendet; je grober die Papieroberfläche ist, desto schneller entweicht natürlich die Luft von dem Zylinder. Die Kontaktoberfläche des Luftleck-Messgeräts kann eine flache ringförmige Fläche oder eine Messerkante sein und die Leckraten werden sich für diese unterschiedlichen Kontaktoberflächengeometrien unterscheiden. Trotz deren Popularität neigen Luftleck-Messgeräte dazu, mit Papieroberflächen, die sehr glatt sind, nicht gut zu arbeiten.
  • Vor kurzem wurde von Emveco Inc., Newberg, Oregon, U.S.A. ein neues Glättekriterium eingeführt, welches als "Mikrodurchschnitt" ("Micro Average") bezeichnet wird, und ist in einigen Industriezweigen auf Akzeptanz zur Vorhersage der Druckfähigkeit von verschiedenen Papierprodukten, insbesondere von Auskleidungspapier (linerboard), gestoßen. Emveco stellt eine Reihe von Messgeräten zum Durchführen von Oberflächenprofilmessungen her, von denen der "Mikrodurchschnitt" berechnet werden kann. Ein derartiges Messgerät verwendet einen Stift mit einem Radius von 31,75 μm (0,00125 Zoll), um die Höhe der Schichtoberfläche an einer Abfolge von Punkten zu messen, die entlang der Testoberfläche in gleichen Intervallen von beispielsweise 127 μm (0,05 Zoll) beabstandet sind. Bis zu 500 Messungen oder mehr werden genommen. Der "Mikrodurchschnitt" ist die durchschnittliche Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Messwerten über dem gesamten Satz von Messwerten.
  • Wie die Luftleck-Tester ist das Emveco Messgerät ein Laborinstrument, welches nicht on-line (während eines Betriebs) verwendet werden kann. Papierhersteller benötigen jedoch eine kontinuierliche Anzeige der Oberflächenglätte der sich bewegenden Papierschicht, wenn sie gerade hergestellt wird. In dieser Weise ist eine sofortige Anzeige der Druckfähigkeit verfügbar, die dem Hersteller erlaubt Korrekturen an dem Herstellungsprozess durchzuführen, sowie für den Fall benötigt, dass die Glätte von einem Zielwert abweicht. Ferner sollten jegliche derartige on-line Messungen gut mit den Ergebnissen von standardmäßigen Labortests korrelieren.
  • Es sind Versuche durchgeführt worden, um die Notwendigkeit zum Erfassen einer Glätte on-line zu erfüllen. In diesem Zusammenhang umfasst der Stand der Technik eine on-line nicht-kontaktierende, optische Oberflächenrauhigkeit-Meßvorrichtung. Gebräuchlicher sind Laser-Triangulationssensoren, bei denen ein Laserstrahl auf der zu messenden Oberfläche fokussiert wird. Eine Linse fokussiert das Bild des einfallenden Laserflecks (Laserpunkts) auf einem positionsempfindlichen Detektor. Der Ort des Bilds bestimmt den Ort der Oberfläche. Die Vorteile von diesen herkömmlichen Laserniangulations-Positionssensoren sind deren Einfachheit und Genauigkeit. Unter ihren Nachteilen sind erstens, dass die Art der positionsempfindlichen Detektoren, die typischerweise verwendet werden, CCDs und laterale Zellen, eine begrenzte Frequenzantwort aufweisen, und zweitens, dass dann, wenn sich die Oberflächenposition nach oben und unten bewegt (zum Beispiel als Folge eines Schicht "flatterns"), sich die Größe des Flecks ändert, da sie aus dem Fokus gerät; infolgedessen verändert sich die Skalierungsgröße der gemessenen Veränderungen. Wenn zum Beispiel der Laserfleck auf einem Durchmesser von 20 Mikrometern in dem Brennpunkt fokussiert wird und sich die Oberfläche 5 mm von dem Brenmpunkt herausbewegt, dann wird die Fleckgröße 250 Mikrometer sein. Ein Fleck, der so groß ist, mittelt die Oberflächenveränderungen von Interesse aus, wodurch die Nützlichkeit des Sensors verringert wird.
  • Der Stand der Technik umfasst Mikrofokussierungs-Systeme, die versuchen das Fleckgrößenveränderungsproblem mit einer automatischen Fokussierungseinrichtung zu lösen. Die automatische Fokussierungseinrichtung bewegt die fokussierende Objektivlinse, um den Fleck auf der zu messenden Oberfläche fokussiert zu halten. Mikrofokussierungssysteme können eine 1 Mikrometer Fleckgröße über einem 1 mm Bereich einer Aufwärts- und Abwärts-Bewegung aufrecht erhalten. Die Position der Linse wird dann gemessen, um die Position der Oberfläche zu bestimmen. Der Vorteil dieses Systems ist, dass die Fleckgröße sogar dann konstant bleibt, wenn sich die Oberfläche nach oben und nach unten bewegt. Der Nachteil dieser Einrichtung ist, dass ihre Geschwindigkeit begrenzt ist, da die Linse mechanisch bewegt werden muss. Demzufolge weisen Mikrofokussierungs-Systeme Frequenzantworten von nur bis zu ungefähr 1200 Hz auf.
  • Ein Beispiel eines herkömmlichen on-line optischen Oberflächensensors ist in dem U.S. Patent 4,019,066 offenbart, welches am 19. April 1977 erteilt wurde. Wie in diesem Patent erläutert beleuchtet die Einrichtung die sich bewegende Schicht, vorzugsweise bei einem geringen Winkel. Licht, das von der Schicht gestreut wird, wird gesammelt und mit Hilfe eines fotoelektrischen Systems verarbeitet. Die elektrischen Signale, die so erzeugt werden, werden in AC (Wechselstrom) und DC (Gleichstrom) Komponenten aufgeteilt, die gemessen werden und deren Verhältnis wird als ein Index der Rauhigkeit verwendet. Weil dieses Instrument die Intensität des zurückgestreuten Lichts und nicht die Fleckposition erfasst, stellt es nicht genaue Ergebnisse für glattes Papier bereit.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,092,068, das am 30. Mai 1978 erteilt wurde, offenbart einen on-line optischen Oberflächensensor, in dem wiederum die Intensität des von der Oberfläche einer sich bewegenden Schicht gestreuten Lichts erfasst wird, in diesem Fall durch zwei winkelmäßig beabstandeten Fotodetektorzellen, deren Ausgänge lokale Reflektivitätsänderungen unterdrücken, die sich von Schmutz oder dergleichen auf der Oberfläche der Schicht ergeben. Der einfallende Lichtstrahl von einer Glühquelle wird senkrecht auf die Oberfläche der Schicht projiziert und beleuchtet einen Lichtfleck mit einem relativ großen Durchmesser von 0,1 bis 0,2 mm. Diese Einrichtung, wie diejenige, die in dem Patent 4,019,066 offenbart ist, kann genaue Messwerte von glatten Oberflächen nicht bereitstellen.
  • Um die Schichtoberflächenglätte zu messen sind auch Versuche durchgeführt worden, um on-line Glanz-Messgeräte zu verwenden, die das von dem Papier reflektierte Licht messen. Diese Ansätze haben genauso nur einen Teilerfolg gehabt, da Papier, wegen seinen Oberflächeneigenschaften, dazu tendiert, sowohl spiegelnde als auch nicht-spiegelnde (d. h. diffuse) Reflektionen bereitzustellen, wobei eine abnehmende Glätte zu diffuseren Reflektionen führt. Demzufolge besteht oft eine geringe Beziehung zwischen dem Glanz und der Glätte
  • Andere Beispiele von herkömmlichen nicht-kontaktierenden optischen Systemen für eine on-line Messung der Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche von sich bewegenden Schichten sind in den U.S. Patenten No. 4,102,578 und 5,110,212 und in einem technischen Artikel von Schmidt "Smoothness measurement in paper making and printing", veröffentlich in Paper, 19. April 1982, auf den Seiten 24 ff offenbart.
  • Die DE3412108 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Rauhigkeit einer Oberfläche. Ein Beleuchtungslicht wird senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Die Intensität des Lichts, das von der beleuchteten Oberfläche zurückgestreut wird, wird in wenigstens zwei Richtungen gemessen, und die Differenz zwischen diesen gemessenen Werten wird verwendet, um ein Maß der Neigung der Streulichtkurve in dem vorgeschriebenen Winkelbereich abzuleiten, was wiederum eine Charakteristik der Gesamtform der Kurve ist, die sich auf die Rauhigkeit der Oberfläche bezieht.
  • Die US 4,760,271 offenbart ein Verfahren zum Untersuchen einer Papierbahn (eines Papiergewebes), um den optischen Parameter der Ausbildung und den physikalischen Parameter der Rauhigkeit zu bestimmen. Eine erste Lichtquelle richtet Licht durch die Papierbahn von einer Rückseite davon, und eine zweite Lichtquelle richtet Licht schräg auf die Papierbahn von der Vorderseite davon. Eine Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet Signale von Detektoren, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das der Ausbildung oder Rauhigkeit der Papierbahn entspricht.
  • Unserer Kenntnis nach erfüllen keine dieser herkömmlichen on-line Glättesensoren vollständig sämtliche der vielen Anforderungen, die erfüllt werden müssen, um mit heutigen Papierherstellungsmaschinen tatsächlich nützlich zu sein. Ein akzeptabler on-line Glättesensor muss Information bereitstellen, die gut mit denjenigen korreliert, die von akzeptierten Labor-Glättetestern bereitgestellt wird, muß aber zusätzlich in der Lage sein genaue Glättemessungen für die glattesten Druckqualitäten bereitzustellen. Wegen der beteiligten Fortbewegungsgeschwindigkeiten (die 1200 Meter pro Minute übersteigen können) und der Notwendigkeit Oberflächenmerkmale mit Amplituden und Wellenlängen so klein wie 0,1 Mikrometer bzw. 20 Mikrometer aufzulösen, muss der einfallende Lichtfleck klein sein, nicht größer als ungefähr 20 Mikrometer im Durchmesser, und der Sensor muss eine übermäßig hohe Frequenzantwort aufweisen. Der Bereich des Sensors muss geeignet sein, um den vollständigen Bereich der Positionen der Oberflächenmerkmale von Interesse abzudecken, während gleichzeitig die Empfindlichkeit auf kleine positionsmässige Veränderungen beibehalten wird. Wegen der kleinen Amplituden der Signale, die von der Mikrotopographie der Schichtoberfläche erzeugt werden, muss Rauschen, das von dem Sensor eingeführt wird, minimiert werden, um ein nützliches Ausgangssignal zu erhalten. Ferner muss die Position der sich bewegenden Schicht entlang der optischen Achse des einfallenden Strahls stabilisiert sein, das heißt, ein Schicht "flattern" muss in dem Bereich des Sensors minimiert werden, um so den Fokus des einfallenden Lichtstrahls aufrecht zu erhalten und eine Messungsauflösung beizubehalten. Wegen der großen Menge von Information, die an dem Ausgang eines Glättesensors bereitgestellt wird, der die vorangehenden Anforderungen erfüllt, und weil mehrere Typen von Druckprozessen vorhanden sind, die jeweils unterschiedliche Oberflächeneigenschaften für die besten Druckergebnisse erfordern, muss die Information noch weiter so verarbeitet werden, dass sie dem Maschinenbetreiber angezeigt und als ein Prozesssteuerparameter in einer aussagekräftigen und praktischen Weise verwendet werden kann. Schließlich müssen Vorkehrungen für eine automatische Standardisierung des Sensors getroffen werden.
  • Zusammengefasst besteht ein Bedarf für ein on-line Instrument, welches unmittelbare und genaue Messungen der Glätte, korrelierbar mit standardmäßigen Labortestverfahren, hervorbringen wird, um so in der Lage zu sein zu bestimmen, ob das Papier, welches gerade hergestellt wird, druckbar sein wird oder nicht, und dass derartige Messungen für die glattesten Druckqualitäten bereitstellen wird. Ferner müssen Papierprodukt-Hersteller in der Lage sein den Papierherstellungsprozess zu steuern, um so die Glätte und somit die Druckfähigkeit des Papiers, welches gerade hergestellt wird, zu steuern und dies im Ansprechen auf genaue on-line Messungen der Glätte, die für das Papierprodukt, welches gerade hergestellt sind, aussagekräftig sind, zu tun.
  • Bestimmte makrotopographische Oberflächenmerkmale sind für Hersteller eines Schichtmaterials wie Papier ebenfalls von Interesse. Bei der Herstellung eines Gewebes ist zum Beispiel eine Verformung (Kreppung oder Creping) eine wichtige Vorgehensweise zur Erhöhung der Textur und Weichheit des Gewebes. Eine Verformung ist der Prozess, bei dem kleine Falten in die Gewebeschicht gebracht werden. Die Tiefe und Beabstandung der Falten versieht die Schicht mit einer Textur. Zum Beispiel wird sich ein Gewebe mit großen Beabstandungen zwischen Falten grober als eine Schicht mit einem engen Abstand anfühlen.
  • Soweit bestimmt werden kann ist keine on-line Messung einer Verformung gegenwärtig verfügbar. Obwohl Labortester zum Messen der Höhe und der Beabstandungen von Verformungsfalten existieren, ist die Verwendung von diesen Testern zeitaufwendig. Die Qualität des Gewebes, welches gerade hergestellt wird, wird typischerweise in einer subjektiven Weise beurteilt, und zwar auf Grundlage von lediglich dem "Gefühl" des Gewebes und einer visuellen Untersuchung davon durch einen erfahrenen Betreiber. Auf Grundlage dieser Beurteilungen kann die Flussrate des Sprühstabs, der Klebemittel auf den Yankee Zylinder anwendet, eingestellt werden und/oder die Verformung oder die Doktorklinge, die das Gewebe von dem Yankee Zylinder abstreift, kann ersetzt werden. Die Doktorklingen nutzen sich relativ schnell ab, in einigen Fällen sooft wie einmal pro Stunde. Somit könnte eine Technik zum genauen Bestimmen, wann Klingen zu ändern sind, zu signifikanten Einsparungen an einer Mühle führen. Das Wechseln von Klingen zu oft führt zu einem Verlust der Produktion und zu erhöhten Klingenkosten. Das Wechseln von Klingen zu spät führt zu der Erzeugung eines Abfallprodukts.
  • Somit besteht ein Bedarf für einen on-line Sensor zum Messen einer Gewebeverformung und zur Verwendung einer derartigen Messung für die Steuerung des Verformungsprozesses und für die Bestimmung der Klingenabnutzung und die Notwendigkeit für eine Klingenersetzung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Oberflächencharakteristik-Sensor der vorliegenden Erfindung geht sämtliche Probleme an, die voranstehend zusammengefasst wurden, und erfüllt die in Konkurrenz stehenden Anforderungen, die angegeben wurden. Der Sensor misst die Glätte der Papieroberfläche on-line (während eines Betriebs). Er erzeugt ein Spektrum mit Amplituden gegenüber der Skalierungsgröße von Variationen in den Oberflächenmerkmalen. Es ist bestimmt worden, dass einer oder gewöhnlicherweise mehrere Bereiche des Spektrums gut mit Labor-Luftlecktests übereinstimmt/übereinstimmen. Zusätzlich kann die labormäßige "Mikrodurchschnitts-"Messung mit dem on-line Sensor der Erfindung dupliziert werden. Der Sensor der Erfindung weist ein sehr schnelles Ansprechverhalten (1 mHz), eine kleine Fleckgröße (ungefähr 20 Mikrometer) auf, löst 0,1 Mikrometer Oberflächenkonturen auf und ist im wesentlichen gegenüber einem Flattern, das heißt einer Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Schicht, unempfindlich. Ferner wird eine automatische Standardisierung bereitgestellt, um das Betriebsverhalten der Einrichtung für verlängerte Zeitperioden zu verifizieren.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für die kontinuierliche on-line Messung von Oberflächenmerkmalen einer sich bewegenden Schicht vorgesehen, wobei die Oberflächenmerkmale verschiedene Skalierungsgrößen und -höhen aufweisen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Laserlichtquelle; eine Einrichtung zum Fokussieren eines einfallenden Lichts von der Laserquelle entlang eines optischen Pfads, der durch die Oberfläche der sich bewegenden Schicht unterbrochen wird, um einen Lichtfleck auf die Oberfläche zu strahlen; eine Einrichtung zum Sammeln von Licht, das bei einem nicht-spiegelndem Winkel von dem bestrahlten Fleck gestreut wird; ein fotoempfindlicher Detektor, der auf das Spektrum von Frequenzen anspricht, die von den verschiedenen Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößen erzeugt werden, wobei der Detektor einen Ausgang aufweist; eine Einrichtung zum Fokussieren des gesammelten gestreuten Lichts auf dem fotoempfindlichen Detektor, wobei der Ausgang des Detektors ein Ausgangssignal bereitstellt, welches Veränderungen der Höhenposition des Lichtflecks auf der Oberfläche der sich bewegenden Schicht darstellt; und eine Vielzahl von Kanälen, die jeweils ein Filter enthalten, das auf das Ausgangssignal des Detektors anspricht, wobei die Filter unterschiedliche Grenzfrequenzen zum Durchlassen von unterschiedlichen Frequenzspektren, die unterschiedliche Bereiche der Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößen darstellen, aufweisen.
  • Wenn verschiedene Oberflächenmerkmale sich an dem Sensor vorbei bewegen, wird ein Spektrum von Frequenzen im Ansprechen auf die Skalierungsgrößen der Merkmale erzeugt. Eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten des Detektorausgangssignals umfasst eine Vielzahl von Kanälen, die jeweils ein Filter aufweisen, um Veränderungen mit niedriger Frequenz in dem Detektorausgangssignal herauszufiltern, die sich von Phänomenen niedriger Frequenz, beispielsweise einem Schicht-Flattern, ergeben, und um höhere Frequenzen in dem Detektorausgangssignal, die einen Bereich von Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößen darstellen, durchzulassen.
  • Weil sich die Frequenzen des Detektorausgangssignals als eine Funktion der Fortbewegungsgeschwindigkeit verändern, kann die Vorrichtung eine Einrichtung zum Überwachen der Geschwindigkeit der sich bewegenden Schicht und zum Bereitstellen eines Ausgangs, der die Geschwindigkeit anzeigt, einschließen. Die Grenzfrequenz von jedem der Filter wird im Ansprechen auf Veränderungen in dem Ausgang der Schichtgeschwindigkeits-Überwachungseinrichtung verändert.
  • Vorzugsweise umfasst der fotoempfindliche Detektor einen segmentierten Balancedetektor (Gleichgewichtsdetektor), der ein Paar von Seite-an-Seite angeordneten fotoempfindlichen Zellen umfasst, die durch einen kleinen linearen Spalt getrennt sind. Das reflektierte Licht, das auf den Balancedetektor fokussiert wird, überbrückt den Spalt, um so zu einem größeren oder geringeren Ausmaß die Detektorzellen im wesentlichen in Übereinstimmung mit der Höhenposition des Lichtflecks, der die Oberfläche der sich bewegenden Schicht bestrahlt, zu bestrahlen. Der Detektor erzeugt somit ein Paar von Signalen, wobei das Detektorausgangssignal proportional zu der Differenz zwischen den Signalen des Paars von Signalen ist. Eine Schaltung ist an dem Ausgang des Detektors vorgesehen, um das Paar von Detektorsignalen zu verarbeiten und einen Ausgang bereitzustellen, der eine Funktion des Verhältnisses der Differenz zwischen den Signalen des Paars von Detektorausgangssignalen zu der Summe von diesen Signalen ist.
  • In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der lineare Spalt, der die Balancedetektorzellen trennt, unter einem Winkel zu der Bewegungsrichtung des Lichtflecks, der auf den Detektor einfällt, angeordnet, um den Bereich des Balancedetektors zu erweitern.
  • Das Filter in jedem Kanal, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung, umfasst ein Hochpassfilter. In diesem Fall kann die Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung eine Arithmetikeinheit zum Wählen der Ausgänge aus zwei der Kanäle und zum Erzeugen eines Signals, das den Bereich des Spektrums zwischen den gewählten Kanalgrenzfrequenzen darstellt, einschließen. In dieser Weise wird das Spektrum in eine Vielzahl von Bereichen aufgeteilt, wobei jeder Bereich eine Anzeige von Höhenveränderungen in der Schichtoberfläche innerhalb eines bestimmten Skalierungsgrößen- oder Wellenlängenbereichs bereitstellt. Eine alternative Vorgehensweise zum Breitstellen einer derartigen Information ist die Verwendung von Bandpassfiltern.
  • In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung der Erfindung mit einer Einrichtung zum Kompensieren der Kompressionsfähigkeit des Schichtmaterials versehen. Insbesondere ist eine Stützplattform benachbart zu der Oberfläche der Schicht gegenüberliegend zu derjenigen des Positionssensors positioniert. Die Stützplattform umfasst eine Einrichtung zum Vorspannen des Messbereichs der Schicht, die von dem Lichtfleck bestrahlt wird, in Richtung auf die Bodenfläche des Sensors hin, wodurch der Messbereich des Papiers komprimiert wird. Die Vorspanneinrichtung kann einen aufblasbaren Faltenbalk mit gegenüberliegenden Endabschnitten umfassen, wobei einer der Endabschnitte an der Plattform angebracht ist, wobei der andere der Endabschnitte positioniert ist, um die Schicht in Richtung auf die Bodenfläche des Sensors zu drängen. Ein Stabilisatorarm verbindet das andere Ende des Faltenbalks mit der Plattform, wobei der Stabilisatorarm der Tendenz des einen Endes des Faltenbalks von der sich bewegenden Schicht entlang getragen zu werden, entgegenwirkt.
  • Die Vorrichtung der Erfindung umfasst auch ein Standardisierungselement mit einer optischen Standardisierungsoberfläche. Wenn die Vorrichtung weg von der Schicht ist, wird das Standardisierungselement an eine Standardisierungsposition bewegt, an der die optische Standardisierungsoberfläche im wesentlichen in der Ebene positioniert ist, die von der mittleren Oberfläche der Schicht belegt wird. Ferner ist eine Einrichtung zum Oszillieren der Position des Standardisierungselements in einer Richtung entlang der optischen Achse des einfallenden Lichts bei wenigstens einer vorgegebenen Frequenz bzw. wenigstens einer vorgegebenen Amplitude, die jeweils wenigstens eine Oberflächenmerkmals-Skalierungsgröße und wenigstens eine Oberflächenmerkmals-Höhenveränderung darstellt, vorgesehen. In dieser Weise kann das Betriebsverhalten des Sensors für wenigstens ein Skalierungsgrößen-Spektrum verifiziert werden.
  • In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Schichtstabilisator zur Verwendung mit einem Sensor vorgesehen, ausgelegt zum Messen einer Charakteristik eines Bereichs einer Oberfläche einer sich bewegenden Schicht mit gegenüberliegenden Oberflächen, wobei der Sensor benachbart zu einer der Oberflächen angeordnet ist. Der Schichtstabilisator umfasst eine Führungsplatte, die an dem Sensor angebracht ist. Die Führungsplatte weist eine planare Oberfläche auf, wobei die Schicht dafür ausgelegt ist, um sich eng in der Nähe dazu zu bewegen, wobei die Führungsplatte einen Raum angrenzend zu dem Messbereich und einen Kanal in Kommunikation mit dem Raum definiert. Der Schichtstabilisator umfasst ferner eine Einrichtung zum Zuführen eines Fluidflusses entlang des Kanals, wobei der Fluidfluß eine Verringerung im Druck innerhalb des Raums verursacht, wodurch wenigstens ein Abschnitt der Schicht, die den Messbereich einschließt, in Richtung auf den Sensor vorgespannt wird. Der Schichtstabilisator weist auch eine Einrichtung zum Zuführen von Fluid unter einem Druck an die Oberfläche der Bahn entlang des Messbereichs der Bahn auf. In dieser Weise wird ein Fluidlager zwischen der planaren Oberfläche der Führungsplatte und einer Bodenfläche des Sensors definiert und der Messbereich der Schicht wird an einem genauen vertikalen Ort relativ zu dem Sensor aufrecht erhalten.
  • Viele Schritte bei einem typischen Papierherstellungsprozess sind der Erreichung einer Oberflächenglätte speziell zugewiesen. Zahlreiche Steueranordnungen sind mit Hilfe des Oberflächensensors der Erfindung möglich gemacht. Die spezifischen Aspekte des Herstellungsprozesses, die gesteuert bzw. kontrolliert werden, hängt von dem bestimmten Typ des Papierprodukts ab, welches gerade hergestellt wird. In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung sind Strategien zum Steuern bzw. Kontrollieren von verschiedenen Papierherstellungs-Prozessparametern vorgesehen, die die Glätte des abschließenden Produkts bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, wie im Anspruch 24 definiert. Die vorliegende Erfindung kann auch zum Messen von makrotopographischen Merkmalen verwendet werden, beispielsweise einer Gewebeverformung. Der Sensor erzeugt ein Spektrum einer Amplitude gegenüber einer Skalierungsgröße von Falten in dem Gewebe. Grobe Gewebe weisen Spitzenamplituden bei größeren Skalierungsgrößen als glatte Gewebe auf. Mit diesem quantitativen Maß einer Verformung, das on-line verfügbar ist, kann eine automatische Steuerung des Prozesses implementiert werden. Ferner können optimale Klingenwechselintervalle bestimmt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich näher aus der ausführlichen nachstehenden Beschreibung, wenn diese im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Messen von Oberflächencharakteristiken einer sich bewegenden Schicht von Papier, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Vorderansicht eines segmentierten Balance-Fotodetektors des Typs, der in der Vorrichtung der 1 verwendet werden kann;
  • 3 eine Vorderansicht des Balancedetektors der 2, wobei die erweiterte Bereichsorientierung gezeigt ist, in der er in der Vorrichtung in der 1 verwendet werden kann;
  • 4 ein schematisches Diagramm eines Hochpassfilters mit einer gesteuerten Grenzfrequenz, das in der Vorrichtung der 1 verwendet werden kann;
  • 5 eine graphische Darstellung der Ausgänge der verschiedenen Kanäle der Vorrichtung der 1 für ein typisches relativ glattes Papier;
  • 6 ein schematisches Diagramm einer Schaltung, die mit der Vorrichtung der 1 zum Berechnen des "Mikrodurchschnitts" der Messungen, die von der Vorrichtung durchgeführt werden, verwendet werden kann;
  • 7 eine Draufsicht, entlang der Schnittlinie 7-7 in 1, eines Schichtstabilisatorelements, das einen Teil des Sensors der Erfindung bildet;
  • 8 einen Seitenaufriss, im Querschnitt, des Schichtstabilisatorelements der 7, entlang der Schnittlinie 8-8 in 7;
  • 9 einen Seitenaufriss einer Standardisierungseinrichtung, die einen Teil des Sensors der 1 bildet, wobei die Standardisierungseinrichtung an ihrer Position auf einer Schicht (on-sheet), gezeigt ist;
  • 10 einen Seitenaufriss der Standardisierungseinrichtung der 9, wobei die Einrichtung in ihrer Standardisierungsposition weg von der Schicht (off-sheet) gezeigt ist;
  • 11 einen Seitenaufriss einer Vorrichtung zum Messen von Oberflächencharakteristiken einer sich bewegenden Schicht in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die eine Kompensation für die Kompressionsfähigkeit der Schicht bereitstellt;
  • 12 eine schematische Ansicht einer Druckqualitäts-Papierherstellungsmaschine, wobei die Vorgehensweise gezeigt ist, mit der der Oberflächensensor der Erfindung verwendet werden kann, um verschiedene glätte-bestimmende Elemente der Papierherstellungsmaschine zu steuern;
  • 13 eine schematische Ansicht einer Zeitungspapier-Herstellungsmaschine, wobei die Vorgehensweise gezeigt ist, mit der der Oberflächensensor der Erfindung verwendet werden kann, um verschiedene glätte-bestimmende Elemente der Maschine zu steuern;
  • 14 eine schematische Ansicht einer Auskleidungspapier-Herstellungsmaschine, wobei die Vorgehensweise gezeigt ist, mit der der Oberflächensensor der Erfindung verwendet werden kann, um die verschiedenen glätte-bestimmenden Elemente der Maschine zu steuern;
  • 15 eine schematische Ansicht einer Herstellungsmaschine für maschinenglasiertes Papier, wobei die Vorgehensweise gezeigt ist, mit der der Oberflächensensor der Erfindung verwendet werden kann, um verschiedene glätte-bestimmende Elemente der Maschine zu steuern;
  • 16 eine schematische Ansicht einer Feinpapier-Superkalander-Maschine, wobei die Vorgehensweise gezeigt ist, mit der der Oberflächensensor der Erfindung verwendet werden kann, um verschiedene glätte-bestimmende Elemente der Maschine zu steuern;
  • 17 eine schematische Ansicht einer Gewebe-Herstellungsmaschine, wobei die Vorgehensweise gezeigt ist, mit der der Oberflächensensor der Erfindung verwendet werden kann, um verschiedene Elemente der Maschine zu steuern, die den Grad einer Verformung bzw. Kreppung und die Weichheit des Gewebes bestimmen; und
  • 18 einen Seitenaufriss eines Abschnitts der Gewebemaschine der 17.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN OPTISCHER POSITIONSSENSOR
  • Bezugnehmend auf 1 ist dort ein optischer Sensor 10 zum Messen der Oberflächencharakteristiken einer Papierschicht 12, welche sich vorbei an dem Sensor auf eine Aufwickelrolle (nicht gezeigt) hin in der mit den Pfeilen angedeuteten Richtung bewegt, gezeigt. Die Papierschicht 12 weist eine obere bzw. untere Oberfläche 12a und 12b auf. Der Sensor 10 umfasst zwei Hauptaufbauten: einen oberen Aufbau 14, der die Elemente eines optischen Lasertriangulations-Positionserfassungssystems 16 enthält, und einen unteren Aufbau 18, der eine Einrichtung 20 zum Standardisieren des Sensors trägt. Der obere Aufbau 14 ist in dem oberen Kopf 22 (der Umriss davon ist mit gestrichelten Linien gezeigt) eines herkömmlichen Scanners angebracht, während der untere Aufbau 18 von dem unteren Kopf (der ebenfalls mit gestrichelten Linien gezeigt ist) des Scanners getragen wird. In einer Weise, die in dem technischen Gebiet altbekannt ist, bewegen sich die oberen und unteren Köpfe 22 und 24 gemeinsam über die Breite der Schicht 12 in der "Querrichtung", das heißt in der Richtung transversal zu der Bewegungsrichtung der Schicht 12, die auch als die "Maschinenrichtung" bezeichnet wird, vor und zurück.
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform werden die Merkmale der oberen Oberfläche 12a der Schicht bzw. des Blatts 12 gemessen. Es ist jedoch ersichtlich, dass der Lasertriangulations-Positionssensor 16 in dem unteren Kopf 24 angebracht werden kann und die Standardisierungseinrichtung 20 in dem oberen Kopf 22 angebracht werden kann, um die Oberflächencharakteristik in der unteren Oberfläche 12b der Schicht zu messen. Noch weiter können die Charakteristiken sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche 12a und 12b gleichzeitig gemessen werden, indem ein Lasertriangulations-Positionssensor 16 in jedem Scannerkopf 22 und 24 und eine zugehörige Standardisierungseinrichtung 20 in den gegenüberliegenden Köpfen angebracht wird.
  • Unter Bezugnahme nun auch auf 8 umfasst der obere Aufbau 14 ein Gehäuse 26 und eine untere horizontale Referenzoberfläche 28. Die obere Oberfläche 12a ist entlang einer Übergabelinie relativ zu der Referenzoberfläche 28 mit Hilfe eines Schichtstabilisators 29, dessen Einzelheiten nachstehend beschrieben werden, stabilisiert, um so ein "Flattern", das heißt eine vertikale Bewegung oder Versetzung der Schicht 12 von der Übergabelinie, wenn sie sich vorbei an dem Sensor bewegt, zu minimieren. Der Schichtstabilisator 29 ist effektiv, um eine vertikale Versetzung der Schicht zu beschränken, so dass das Flattern auf ungefähr ±0,1 mm um die mittlere Übergabelinie beschränkt wird.
  • Das optische Laserniangulations-Erfassungssystem 16, das in dem oberen Aufbau 14 untergebracht ist, umfasst entlang einer vertikalen Strahlachse 30, die die Ebene der unteren Referenzoberfläche 28 schneidet, eine Laserstrahlquelle 32, die die Form einer Laserdiode annehmen kann, eine asphärische Kolimatorlinse (Fokussierungslinse) 34 und eine Objektivlinse 36. Die Linse 36 fokussiert den Laserstrahl auf einen winzigen Fleck (Punkt) 38 auf der Schichtoberfläche 12a. Der Durchmesser des Lichtflecks 38 wird in Abhängigkeit von der gewünschten Auflösung gewählt. Wenn zum Beispiel die kleinste Skalierungsgröße oder Wellenlänge der Oberflächenveränderungen von Interesse als diejenige der Punktbeabstandung einer Halbton-Druckplatte genommen wird, nämlich ungefähr 20 Mikrometer, dann sollte der Durchmesser des Lichtflecks 38 nicht größer als ungefähr 20 Mikrometer sein. In der Ausführungsform der Erfindung, die in 1 gezeigt ist, ist die Strahlachse senkrecht zu der Oberfläche 28; es wird jedoch offensichtlich sein, dass die Strahlachse 30 unter anderen Winkeln im Verhältnis zu der Oberfläche 28 orientiert sein kann.
  • Licht, welches von dem bestrahlten Fleck 38 auf der oberen Oberfläche 12a der Papierschicht gestreut wird, wird von einer Objektivlinse 40 entlang einer reflektierten Strahlachse 42 unter 45° zu der einfallenden Strahlachse 30 gesammelt und auf einem Detektor 44 über einen einstellbaren Spiegel 46 fokussiert. Wegen der Art und der Größenbereiche der Oberflächenmerkmale, deren Positionen, d. h. Höhen, gemessen werden sollen, muss der Detektor 44 bestimmte strenge Anforderungen erfüllen. Unter anderem muss er eine hohe Frequenzantwort, ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis und einen ausreichenden Höhenpositionsbereich aufweisen, um vertikale Schichtversetzungen im Verhältnis zu der Referenzoberfläche 28 aufzunehmen. Die 2 und 3 zeigen Einzelheiten eines segmentierten Balancedetektors 44, der diese Anforderungen erfüllt. Der fokussierte Strahl, der von dem Spiegel 46 reflektiert wird, beleuchtet eine kleine Fläche 48, die mehr oder weniger mit den Empfangsoberflächen eines Paars von Seite an Seite angeordneten, rechteckförmigen Fotodetektorzellen 50 und 52, die durch einen linearen Spalt 54 mit einer Breite von beispielsweise 20 Mikrometern getrennt sind, überlappt. Ein Balancedetektor dieser Art, der auch als eine BiZelle (BiCell) bezeichnet wird, wird von der Silikon Detektor Corp., Camarillo, Kalifornien, U.S.A., verkauft. Es handelt sich dabei um Detektoren mit einem geringen Rauschen, die hohe Frequenzantworten (Ansprechverhalten mit einer hohen Frequenz) in der Größenordnung von mehreren MHz und größer aufweisen, wobei die Ansprechverhalten von CCD-Typ und lateralen zellenpositions-empfindlichen Detektoren, die traditionell in Laserniangulations-Positionssensoren verwendet werden, überschritten werden.
  • Die Fotodetektorzelle 50 stellt einen Spannungsausgang V1 proportional zu dem Ausmaß, zu dem sie von dem Lichtfleck 48 beleuchtet wird, bereit; in einer ähnlichen Weise erzeugt die Zelle 52 einen Spannungsausgang V2. Die Ausgänge V1 und V2 werden an eine Verarbeitungsschaltung 56 angelegt, die ein Oberflächenpositionssignal erzeugt, dass das Verhältnis der Differenz zwischen V1 und V2 zu der Summe von diesen Signalen [(V1 – V2)/(V + V2)] erzeugt. Somit ist das Positionsausgangssignal proportional zu der Differenz zwischen den Spannungsausgängen der Zellen, d. h. der Differenz bei der Beleuchtung der Zellen 50 und 52, während eine Kompensation von Veränderungen in der Intensität des reflektierten Lichts vorgenommen wird. Das Verhältnissignal wird an einen Verstärker 58 geführt, um ein verstärktes Positionssignal Vs bereitzustellen. Es wird ersichtlich sein, dass dann, wenn der Lichtfleck einen Abschnitt der oberen Oberfläche 12a der Schicht 12 beleuchtet, der an der idealen oder mittleren Ebene der oberen Oberfläche ist, der Lichtfleck 48 auf den Zellen 50 und 52 des Balancedetektors 44 zentriert sein wird, und Vs gleich zu Null sein wird. Der einstellbare Spiegel 46 kann um eine Achse senkrecht zu der Ebene der Zeichnung in 1 geneigt werden, um so den reflektierten Lichtfleck 48 auf dem Balancedetektor zu zentrieren, wenn der einfallende Lichtfleck 38 an der idealen Ebene der Oberfläche 12a ist, wodurch der Sensor mechanisch auf Null gebracht wird. Somit wird der Spiegel 46 so eingestellt, dass dann, wenn die Schichtoberfläche 12a in der Mitte des Bereichs ihrer vertikalen Versetzung ist, das Bild des Lichtflecks 48 so fokussiert wird, dass die Detektorzellen 50 und 52 gleichermaßen beleuchtet werden. Wenn die Höhe, d. h. die vertikale Position mit der Schichtoberfläche 12a, sich verändert, dann bewegt sich das Fleckbild 48, so dass eine Zelle mehr Licht als die andere empfängt. Wenn der Balancedetektor 44 in seiner gewöhnlichen Orientierung verwendet wird, die in 2 gezeigt ist, ist die Achse des Spalts 54 senkrecht zu der Richtung 60 der Fleckbild-Bewegung und der Bereich des Sensors ist gleich zu dem Radius r des Lichtflecks 38. Diese Grenze wird von der Vergrößerung, die von der Linse entlang des optischen Pfads ausgeübt wird, nicht beeinflusst. Für einen einfallenden Lichtfleck 38 mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern würde der Bereich von Positionsveränderungen somit ±10 Mikrometer sein. Um einen maximalen Schichtflatterbereich von beispielsweise ±0,1 mm unterzubringen, wird der Balancedetektor 44 in einer neuen Weise verwendet. Wie in 3 gezeigt ist der Detektor 44 umorientiert worden, wobei der lineare Detektorspalt 54 μm einen Winkel θ gedreht wird. Wenn der Detektor so orientiert ist, wird sein Bereich auf r/cosθ erhöht. Der maximale Bereich hängt von der Gesamtlänge L des Detektors und der Vergrößerung M der Optik ab; somit ist der maximale Bereich = ±L/2 (M). Die Vergrößerung wird von der optischen Konstruktion bestimmt und kann im Grunde genommen irgendeine gewünschte Zahl sein. Wenn der Bereich, der in das System hineinkonstruiert wurde, zunimmt, nimmt die Empfindlichkeit für kleine Veränderungen in der Position ab. Die minimale Empfindlichkeit wird von den kleinsten Veränderungen, die erfasst werden müssen, und dem Rauschpegel des Detektors, bestimmt. Wenn zum Beispiel der Balancedetektor 44 eine Gesamtlänge L von 4,88 mm aufweist und die Vergrößerung M entlang des reflektierten Pfads 23 ist, dann ist der maximale Bereich ±0,106 mm.
  • Das verstärkte Detektorausgangssignal Vs umfasst ein sich veränderndes Signal, dessen Amplitude sich in Übereinstimmung mit der Höhen- oder vertikalen Position des Abschnitts der Oberfläche 12a, der von dem einfallenden Lichtfleck 38 beleuchtet wird, verändert und dessen Frequenz sich in Übereinstimmung mit den Skalierungsgrößen oder Wellenlängen der beobachteten Merkmale und mit der lokalen Fortbewegungsgeschwindigkeit, d. h. der Geschwindigkeit des Papiers, mit der es sich an dem Sensor vorbeibewegt, verändert. Somit enthält Vs ein Frequenzspektrum, das für eine gegebene Fortbewegungsgeschwindigkeit sämtliche Frequenzen enthält, die zu dem gesamten Bereich von mikro- und makrotopographischen Skalierungsgrößen gehören.
  • Wenn sich die Oberfläche 12a der Schicht 12 im Verhältnis zu der Referenzoberfläche 28 nach oben und nach unten bewegt, wird sich das Bild des Lichtflecks 48 auf dem Detektor bewegen und der Detektorausgang wird sich entsprechend ändern. Der Detektorausgang wird eine Oberflächenposition anzeigen, die sowohl Flatter- als auch Oberflächenkonturen einschließt. Für eine Glätte sind nur die Oberflächenkonturen mit Skalierungsgrößen von 20 Mikrometern bis ungefähr 1 mm von prinzipiellem Interesse. Für eine Schicht, die sich bei 1200 Metern min bewegt, übersetzen sich diese Skalierungsgrößen in Frequenzen in einem Bereich von 1 MHz bis 20 kHz (der Sensor wird mit Maschinen mit Fortbewegungsgeschwindigkeiten größer als 1200 Metern/Minute arbeiten, aber die kleinste Skalierungsgröße, die aufgelöst werden kann, wird sich proportional mit der Geschwindigkeit erhöhen). Die Flatterveränderungen werden bei wesentlich niedrigeren Frequenzen, zum Beispiel einigen wenigen 100 Hz, auftreten. Um die mikrotopographischen Oberflächenmerkmale im Zusammenhang mit der Glätte zu messen, dürfen nur die Hochfrequenz-Signalkomponenten entsprechend zu Glätteskalierungsgrößen von Interesse (z. B. 20 Mikrometer bis 1 mm) verwendet werden.
  • SIGNALVERARBEITUNGS-SCHALTUNGSANORDNUNG
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 1 wird das verstärkte Positionssignal Vs an eine Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung 70 geführt, die das verstärkte Positionssignal Vs verarbeitet, um elektrische Ausgangssignale bereitzustellen, die die Höhen von Schichtoberflächen-Merkmalen für einen bestimmten Bereich oder Bereiche von Skalierungsgrößen oder Wellenlängen anzeigen. Die Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung 70 umfasst wenigstens ein und vorzugsweise eine Vielzahl von Filtern 72–78 (wobei nur die Filter 72–74 und 78 gezeigt sind), an die das Signal Vs angelegt wird. Jedes Filter 72–78 gehört jeweils zu einem bestimmten elektrischen "Kanal" 80–86. Abgesehen von einem der Filter 72–78 schließt jeder Kanal 80–86 jeweils einen RMS-AC-zu-DC-Wandler 88–94 ein, der mit dem Ausgang des Filters verbunden ist, das zu dem Kanal gehört. Die Amplitude des Spannungsausgangs von jedem RMS Wandler 88–94 ist direkt proportional zu der Höhe der Oberflächenveränderungen für die Skalierungsgröße oder den Wellenlängenbereich, die/der von dem bestimmten Kanal abgedeckt wird. Die Verarbeitungs-Schaltungsanordnung 70 kann irgendeine Anzahl von Kanälen aufweisen. In der Ausführungsform der 1 weist die Schaltungsanordnung sieben (7) Kanäle auf, die ein Gesamtfrequenzbereichsspektrum abdecken, das in Übereinstimmung mit dem Gesamtbereich oder – spektrum von Skalierungsgrößen (Wellenlängen) von Interesse gewählt wird.
  • In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung kann jedes Filter 72–78 ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz sein, die sich von denjenigen der anderen Filter unterscheidet und die in Übereinstimmung mit dem Skalierungsgrößen-(Wellenlängen)-Bereich oder dem Spektrum, das von dem Kanal abgedeckt werden soll, zu dem das bestimmte Filter gehört, gewählt ist. Wie bereits erwähnt verändert sich die Frequenz des Ausgangssignals Vs mit der Fortbewegungsgeschwindigkeit. Demzufolge muss die Grenzfrequenz jedes Filters für Fortbewegungsgeschwindigkeitsänderungen eingestellt werden, so dass der Skalierungsgrößenbereich oder das Spektrum, der/das von jedem Kanal abgedeckt wird, sogar dann konstant bleibt, wenn eine Änderung in der Geschwindigkeit vorhanden ist, mit der sich die Papierschicht 12 an dem Sensor 10 vorbei bewegt. Die Fortbewegungsgeschwindigkeit wird von einem digitalen Tachometer 100 gemessen, der auf der Aufnahmerolle (nicht gezeigt) der Papierherstellungsmaschine angebracht sein kann. Mit dem Ausgang des digitalen Tachometers 100 ist ein Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) 102 verbunden, der eine Ausgangssteuerspannung Vd proportional zu den Tachometerzählungen erzeugt. Das Signal Vd wird an jedes Filter 72–78 angelegt, um die Grenzfrequenz je nach Bedarf einzustellen.
  • Die Grenzfrequenz des Hochpassfilters 72 des ersten Kanals 80 ist die höchste; dies würde deshalb den "schnellsten" Kanal umfassen, der auf Höhenveränderungen mit den kleinsten Skalierungsgrößen im Bereich von 20 Mikrometern (der Skalierungsgröße, die aufgelöst werden soll) zu der Wellenlänge entsprechend der höchsten Grenzfrequenz anspricht. Der zweite Kanal 81 würde einen Ausgang proportional zu Oberflächenmerkmalshöhen mit einem Wellenlängenbereich von 20 Mikrometern zu demjenigen entsprechend der Grenzfrequenz des Hochpassfilters 73, das eine Grenzfrequenz etwas niedriger als die Grenzfrequenz des Filters 72 aufweist, bereitstellen; und so weiter. Jeder Kanal stellt dann eine Höhen- oder Positionsinformation bezüglich eines vorgegebenen Spektrums von Oberflächenmerkmalen bereit. In dieser Weise wird das große Volumen von Information, das von dem Detektor 44 erzeugt wird, in eine Form aufgeteilt, in der es leicht angezeigt wird (zum Beispiel mittels eines Balkengraphs, bei dem jeder Balken den Ausgang von einem der Kanäle darstellt) und von dem Mühlenbetreiber verstanden wird. Das Gesamtfrequenzspektrum, das von den verschiedenen Kanälen abgedeckt wird, und die Aufteilung von diesem Spektrum unter den Kanälen kann in Abhängigkeit von den Oberflächencharakteristiken der Papierprodukte, die hergestellt werden sollen, vorgewählt werden. Zum Beispiel kann der Gesamtfrequenzbereich auf 20 Mikrometer bis 1 mm, dem Skalierungsgrößenbereich des größten Interesses bis zu der Bestimmung der Papierglätte, komprimiert werden. Alternativ kann das Gesamtspektrum erweitert werden, um Spektren einzuschließen, die sich auf die makrotopographischen Merkmale der Schichtoberfläche erstrecken. Zum Beispiel können die sieben Kanäle Grenzfrequenzen entsprechend zu den folgenden Skalierungsgrößen aufweisen, in Mikrometern: 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; und 8000.
  • 4 zeigt ein Hochpassfilter 110 mit einer variablen Grenzfrequenz, das in der Signalverarbeitungsschaltung 70 verwendet werden kann. Das Filter 110 ist grundlegend eine RC Schaltung mit einem Kondensator 112 (C) und einem festen Widerstand 114 (R). Das Filter 110 umfasst ferner einen XY Multiplizierer 116, der als ein spannungsgesteuerter Widerstand Rx in Reihe zu dem festen Widerstand 114 arbeitet und über dem eine Spannung Vr erscheint. Die Eingänge zu dem Multiplizierer 116, d. h. die Größen, die von der Schaltung 116 multipliziert werden, umfassen das Geschwindigkeitssignal Vt und die Ausgangsspannung Vout.
  • Die Grenzfrequenz kann als eine Funktion der Fortbewegungsgeschwindigkeit für die Hochpassfilterschaltung 110 folgendermaßen abgeleitet werden:
  • Die Grenzfrequenz fc eines Hochpass-RC-Filters ist: fc = 1/(2π*Rt*C)wobei Rt der Gesamtwiderstand von Vout nach Masse ist.
  • In der Schaltung 110 gilt: Vr = Vd*Vout Vr = Vout*(Rx/(R + Rx))
  • Eine Kombination der zwei Gleichungen ergibt: Vd*Vout = Vout*(Rx/(R + Rx))
  • Dies reduziert sich auf: Vd*(R + Rx) = Rx
  • Eine Auflösung nach Rx ergibt: Rx = R*Vd/(1 – Vd)
  • Der Gesamtwiderstand Rt vom Ausgang nach Masse ist: Rt = R + Rx = R*(1 + Vd/(1 – Vd))
  • Schließlich ergibt sich: Rt = R/(1 – Vd)und: fc = (1 – Vd)/(2π*R*C)
  • Somit ist die Grenzfrequenz fc des Filters 110 eine Funktion des Fortbewegungsgeschwindigkeitssignals Vd.
  • Das Hochpassfilter 110, welches ein einfaches Einpol-Filter ist, arbeitet gut bis 1 MHz. In einer Vorgehensweise, die in dem technischen Gebiet von passiven Filtern bekannt ist, können eine Vielzahl von Filtern 110 in einer Kaskade angeordnet werden, um Mehrpol-Filter zu bilden, die etwas steilere Frequenzgrenzfrequenzen aufweisen.
  • Wie bereits diskutiert umfasst die Verarbeitungsschaltung 70 ein Feld von sieben Filtern parallel zum Aufteilen des Spektrums in sieben Bereiche. Beispielsweise kann der feste Widerstand R von jedem sukzessiven Filter um einen Faktor von zwei (2) größer als der feste Widerstand des vorangehenden Filters sein, wobei eine Grenzfrequenz fc definiert wird, die eine Oktave niedriger ist. Wenn Vd Null ist, sind die Grenzfrequenzen maximal, entsprechend zu der maximalen Fortbewegungsgeschwindigkeit. Wenn die Fortbewegungsgeschwindigkeit verringert wird, wird Vd erhöht, was ein lineares Absinken in fc proportional zu der Fortbewegungsgeschwindigkeit verursacht.
  • In bestimmten Situationen wird der Mühlenbetreiber vielleicht die Höhenveränderungen in der Schichtoberfläche innerhalb einer bestimmten Skalierungsgröße oder einem bestimmten Wellenlängenbereich wissen wollen. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann diese Information einfach dadurch bereitstellen, dass die Zahl der Differenz zwischen dem RMS DC Ausgang von einem Kanal quadriert und der RMS DC Ausgang eines anderen Kanals quadriert genommen wird. Der ermittelte Wert entspricht der Größe der Höhenveränderungen innerhalb des Skalierungsgrößenbereichs zwischen den Grenzfrequenzen der Hochpassfilter der zwei Kanäle. Eine Arithmetikeinheit kann für diesen Zweck bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist in 1 eine Arithmetikeinheit 118 gezeigt, die mit den Ausgangsanschlüssen der Kanäle 80 und 81 verbunden ist. Der Ausgang der Arithmetikeinheit 118 entspricht der Größe der Oberflächenhöhenveränderungen innerhalb des Skalierungsgrößenbereichs zwischen den Grenzfrequenzen der Hochpassfilter 72 und 73.
  • Wenn die Ausgänge der verschiedenen Kanäle numerisch angezeigt werden, dann kann der Papiermühlenbetreiber die Ergebnisse zwischen jeden zwei derartigen Ausgängen numerisch ermitteln. Um zum Beispiel die Größe der Höhenveränderungen mit Wellenlängen zwischen 125 und 250 Mikrometern zu bestimmen, wird der Papiermühlenbetreiber einfach in Quadratur den Wert des Ausgangs des zweiten Kanals von dem Wert des Ausgangs des ersten Kanals subtrahieren.
  • Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass anstelle von Hochpassfiltern anstelle davon Tiefpassfilter verwendet werden können. Noch weiter können Bandpassfilter, die Hoch- und Tiefpassfilter kombinieren, verwendet werden, wobei in diesem Fall die Hochfrequenz-Grenzfrequenz jedes Bandpassfilters gleich zu dem Niederfrequenz-Grenzwert des vorangehenden Filters gesetzt werden würde. Wenn sieben Kanäle verwendet werden, würden infolge dessen die sieben Bandpasskanäle Oberflächenhöheninformation für sieben angrenzende, nichtüberlappende Frequenzspektren entsprechend zu sieben angrenzenden Skalierungsgrößen- oder Wellenlängenbereichen bereitstellen. 5 zeigt, wie eine derartige Information auf der Anzeige eines Computers dargeboten werden kann, der programmiert ist, um die Daten zu verarbeiten, die von den Kanälen 80–86 erzeugt werden.
  • 5 ist eine Darstellung einer graphischen Anzeige der Oberflächensensor-Kanalausgänge mit einer Charakteristik, die in etwa für ein typisches Rotogravurgrad-Glanzpapier erwartet werden würde. Ein derartiges Papier ist sehr glatt. Der Balkengraph der 5 ist für einen Oberflächensensor, der in seiner Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung Bandpassfilter beinhaltet. Jede der sieben Skalierungsgrößen, die entlang der X Achse des Graphs der 5 gezeigt ist, ist die Skalierungsgröße entsprechend zu der Mitte des Bandpassfilter-Frequenzbereichs, der für diesen Kanal verwendet wird. Der Spannungsausgang von jedem Kanal (die Y Achse) ist die RMS Spannungsamplitude der Oberflächenkonturen in jedem Skalierungsgrößen-(Wellenlängen)-Bereich. Die Spannung ist direkt proportional zu der Höhe der Oberflächenveränderungen. In der graphischen Darstellung der 5, bei der ein Volt ungefähr 15 Mikrometer einer Oberflächenhöhenveränderung darstellt, ist somit die Höhe der Oberflächenveränderungen, die von dem Kanal gemessen werden, der die größten Skalierungsgrößen abdeckt, ungefähr 0,8 Mikrometer, während die Höhe der Oberflächenveränderungen, die von dem Kanal gemessen werden, der die kleinsten Skalierungsgrößen abdeckt, 4,5 Mikrometer ist. Das Kanalausgangsmuster, das in 5 gezeigt ist, ist für ein sehr glattes Papier charakteristisch, da man die meisten Höhenveränderungen in den ersten zwei oder drei Kanälen sieht, die die Oberflächenmerkmale abdecken, die die kleinsten Skalierungsgrößen aufweisen.
  • Das Verhältnissignal von dem Sensor ergibt Abweichungen mit kleinen Oberflächenveränderungen von der mittleren Oberflächenposition. Das Signal kann verwendet werden, um eine statistische Verteilung der Abweichungen zu entwickeln. Eigenschaften der Verteilung, wie beispielsweise eine Standardabweichung, eine Verschiebungseigenschaft (skewing) und eine Keratose können berechnet werden. Die Konelationslänge der Autokonelation kann ebenfalls berechnet werden. Diese Parameter charakterisieren die Oberflächenglätte der Schicht und können mit anderen Glättemessungen korreliert werden, beispielsweise dem Parker Print Surf (PPS).
  • Es sei darauf hingewiesen, dass viele standardmäßige "RMS" AC-zu-DC Wandler tatsächlich die Spitze-zu-Spitze-Spannung des ankommenden Signals messen und dann ein DC Ausgangssignal bereitstellen, welches dem "echten" RMS Wert des Eingangssignals nur dann entspricht, wenn das Eingangssignal sinusförmig ist. Jedoch weist der verstärkte Detektorausgang Vs, der an die Filter 72–78 in 1 angelegt wird, eine Wellenform auf, die typischerweise nicht sinusförmig ist. Es ist deshalb gewöhnlicherweise wichtig, das die AC-zu-DC Wandler 88–94 DC Ausgangsspannungen bereitstellen, die dem echten RMS Wert des Detektorausgangssignals entsprechen, da ansonsten das Ausgangssignal von diesen RMS Wandlern ein ungenaues Maß der Höhenveränderungen bereitstellen kann.
  • Die Verwendung von echten RMS-AC-zu-DC Wandlern ist besonders wichtig, wenn der Ausgang des Wandlers von einem Kanal von dem Ausgang eines Wandlers eines anderen Kanals "subtrahiert" wird, um dadurch die Oberflächenrauhigkeitshöhen innerhalb eines bestimmten Skalierungsgrößen- oder Wellenlängenbereichs zu bestimmen. Unterschiedliche Wellenlängen können die gleichen Spitze-zu-Spitze-Änderungen in dem Höhensignal verursachen, obwohl deren Verteilung zu dem RMS Wert des Höhensignals anders ist. Wenn das "RMS" Signal tatsächlich von einer Messung des Spitze-zu-Spitze-Signalwerts abgeleitet wird und Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen die gleiche Spitze-zu-Spitze Änderung in Vs aufweisen, dann würde die Differenz zwischen den Ausgängen von zwei "RMS" Wandlern Null sein, was unrichtig sein würde. Somit kann die Verwendung der standardmäßigen Spitze-zu-Spitze AC-zu-DC Wandlern falsche Messwerte hervorbringen, wenn sie in der Einrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und es ist wichtig, dass "echte" RMS AC-zu-DC Wandler verwendet werden.
  • Der voranstehend erläuterte "Mikrodurchschnitt" ("Micro Average") wird berechnet, indem die Höhe der Oberfläche 12a der Schicht 12 an aufeinanderfolgenden gleichförmig beabstandeten Punkten entlang der Schicht gemessen wird. Zum Beispiel kann die Beabstandung zwischen sukzessiven Messpunkten 0,005 Zoll sein. Wie bereits angegeben ist der "Mikrodurchschnitt" der Durchschnitt des Absolutwerts der Differenzen zwischen sukzessiven Höhenmesswerten über dem gesamten Satz von Messwerten. Da der Laseroberflächensensor der vorliegenden Erfindung die Höhen der Oberflächenglättemerkmale auf einer sich bewegenden Schicht misst, kann er verwendet werden, um sukzessive Höhenmessungen entlang der Oberfläche bereitzustellen, aus denen der "Mikrodurchschnitt" berechnet werden kann. Eine digitale Schaltung zum Bereitstellen des "Mikrodurchschnitts" automatisch on-line (während des Betriebs) für die Zwecke einer Anzeige und/oder einer Prozesssteuerung ist in 6 gezeigt.
  • Die Schaltung der 6 umfasst zwei schnelle Abtast- und Halte-Verstärker 130 und 132, die als ein Eingangssignal das verstärkte Detektorsignal Vs empfangen. Die Abtast- und Halte-Schaltungen 130 und 132 werden zeitlich gesteuert, um sich mit dem Eingangssignal alternierend zu aktualisieren und sukzessive Datenabtastwerte zu speichern. Eine Zeitsteuerung (ein Timing) wird durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 134 gesteuert, der in Übereinstimmung mit einem Signal proportional zu der Fortbewegungsgeschwindigkeit eingestellt wird. Die Ausgangsimpulse von dem VCO steuern ein Flop-Flop 136, dessen Q und –Q Ausgänge mit einem Paar von monostabilen Multivibratoren 138 und 140 verbunden sind, die wiederum mit den Abtast- und Halte-Schaltungen 130 und 132 gekoppelt sind. Die monostabilen Multivibratoren 138 und 140 richten eine vorgegebene Zeitperiode ein, während der die Abtast- und Halte-Schaltungen 130 und 132 freigegeben werden, um Daten zu sammeln. Der Beginn von jedem Datensammelintervall wird durch Schaltungselemente 100, 102, 134 und 136 jedoch zeitlich gesteuert, um zu der Leitungsgeschwindigkeit synchronisiert zu sein. Die Differenz zwischen den Ausgängen der zwei Abtast- und Halteverstärker würde durch eine Durchschnittsbildungsschaltung (Mittelungsschaltung) 142 gemittelt, um einen laufenden Wert des "Mikrodurchschnitts" hervorzubringen.
  • SCHICHTSTABILISATION
  • Unter Bezugnahme auf die 7 und 8 ist mit näheren Einzelheiten der Schichtstabilisator 29 gezeigt, der an dem Boden des Sensorgehäuses 26 befestigt ist. Der Schichtstabilisator 29 ist effektiv, um ein Schichtflattern in der Nähe des Bereichs des Messflecks 38 zu minimieren und die vertikale Position der Schicht 12 entlang einer mittleren Schichtübergabelinie zu stabilisieren. Der Stabilisator 29 kann die obere Schichtoberfläche 12a innerhalb eines ±0,1 mm Bereichs von seiner mittleren Position halten. Der Schichtstabilisator 29 umfasst eine Schichtführung 150 in der Form einer kreisförmigen Platte, die eine obere Oberfläche 152 und eine untere Oberfläche 154 aufweist, die die Referenzoberfläche 28 definiert, die dafür ausgelegt ist, dass die obere Oberfläche 12a der sich bewegenden Schicht 12 dort angreift. Die Ebene der Referenzoberfläche enthält den Fokusfleck 38 der Einfallsstrahloptik. Die Führung 150 umfasst ein erstes oder stromaufwärts liegendes Ende 156 und ein zweites oder stromabwärts liegendes Ende 158. Die Führung 150 definiert eine kreisförmige Öffnung 160, die sich durch die Dicke der Führungsplatte 150 erstreckt und auf der Strahlachse 30 des einfallenden Lasers zentriert ist. Konzentrisch innerhalb der Öffnung 160 ist ein allgemein zylindrischer Schichtführungsring 162 mit einer unteren flachen Oberfläche 164, die in der Ebene der Referenzoberfläche 28 liegt, und einer allgemein konischen inneren Wand 166, die auf eine kreisförmige Öffnung 168 an der Referenzoberfläche zusammenläuft und die koaxial mit der Strahlachse 30 ist, angeordnet. Der Winkel der konischen inneren Wand 166 ist derart, dass eine Störung zwischen dem Führungsring 162 und gestreutem Licht, das von dem Lichtfleck 38 reflektiert wird, ausgeschlossen wird. Der äußere Durchmesser des Schichtführungsrings 162 ist kleiner als der Durchmesser der Öffnung 160, so dass die Wand der Öffnung 160 und die äußere zylindrische Oberfläche des Schichtführungsrings 162 zwischen ihnen einen ringförmigen Raum 170 definieren. Sowohl die Führungsplatte 150 als auch der Führungsring 162 sind an der Unterseite des Gehäuses 26 mit Schrauben oder dergleichen (nicht gezeigt) befestigt. Das Gehäuse 26 definiert einen Luftaustrittsanschluss 171, um Luft unter Druck von einer Quelle (nicht gezeigt) in Richtung auf die Öffnung 168 hin zu richten.
  • In der oberen Oberfläche der Führungsplatte 150 ist ein erster allgemein rechteckförmiger Kanal 172 gebildet, der sich entlang der Maschinenrichtung erstreckt. Das stromaufwärts liegende Ende des Kanals 172 steht in Verbindung mit dem ringförmigen Raum 170, während das stromabwärts liegende oder Austrittsende des Kanals 174 über einen schlitzartigen Luftaustrittsanschluss 174, in Verbindung mit einem zweiten allgemein rechteckförmigen Kanal 176 in Ausrichtung zu dem ersten Kanal 172 und in der unteren Oberfläche 154 der Führungsplatte 150 gebildet, ist. Das Gehäuse 26 definiert einen Schlitz 178, der sich über die Breite des Kanals 172 erstreckt und der mit einer Quelle (nicht gezeigt) von verdichteter Luft verbunden ist. Der Schlitz 178 ist in Verbindung mit dem oberen Kanal 172 und ist unter einem spitzen Winkel zu der longitudinalen Richtung von diesem Kanal orientiert, so dass Luft, die von dem Schlitz 178 abgegeben wird, nach hinten, das heißt in Richtung auf den Austrittsanschluss 174, gerichtet wird. Für die besten Ergebnisse sollte der Schlitz so angeordnet werden, dass Luft in der stromaufwärts liegenden Hälfte des Kanals 172 abgegeben wird; in der dargestellten Ausführungsform wird Luft an einem Punkt ungefähr 25% des Abstands von der Vorderseite zu der Rückseite des Kanals 172 abgegeben. Der Schlitz 178 ist so dimensioniert, dass ein Luftfluss mit hoher Geschwindigkeit und geringem Volumen innerhalb des Kanals 172 bereitgestellt wird. Mit Hilfe dieses Luftflusses wird ein Auswerfereffekt erzeugt, wobei der Druck innerhalb des ringförmigen Raums 170 (der in Kommunikation mit dem Kanal 172 ist) unter die Umgebung verringert wird, um so einen Luftfluss mit einem geringen Volumen von der Öffnung 168 (der durch positiv verdichtete Luft von dem Anschluss 171 zugeführt wird) radial nach außen entlang der flachen unteren Oberfläche 164 des Führungsrings in Richtung auf den ringförmigen Raum 170 hin zu verursachen. Die Luft, die entlang der Oberfläche 164 fließt, erzeugt ein Luftlager oder ein Kissen, entlang dem die obere Oberfläche 12a der Schicht verläuft. In dieser Weise wird ein stabiler im wesentlichen konstanter Spalt 180 zwischen der Oberfläche 164 und der oberen Oberfläche 12a der Schicht 12 aufrecht erhalten. In Abhängigkeit von derartigen Faktoren wie dem Papierprodukt, welches gerade verarbeitet wird, dem Druck der Luft, die von dem Anschluss 171 mit den Einschränkungen des Führungsrings 172 zugeführt wird, der Geschwindigkeit der Schicht, und so weiter, kann der Spalt eine Dicke von ungefähr 25 bis ungefähr 100 Mikrometer aufweisen. Dieser Spalt (der für einen gegebenen Satz von Bedingungen im wesentlichen konstant ist) richtet die mittlere Übergangslinie der Schicht 12 ein. Es wird auch ersichtlich sein, dass die Luft, die von dem Anschluss 171 kommt, eine Tendenz aufweist, den Raum zwischen der Führungsringoberfläche 164 und der oberen Schichtoberfläche 12a von Schmutz und Abfall zu reinigen, und dazu beiträgt zu verhindern, dass derartige Verunreinigungen in das Gehäuse 26 durch die Öffnung 168 eintreten. Ferner ist der Schichtstabilisator der Erfindung unabhängig von der Richtung der Schichtbewegung im Verhältnis zu dem Sensor 10 effektiv.
  • STANDARDISIERUNG
  • Unter Bezugnahme nun auf die 9 und 10 sind Einzelheiten der Standardisierungseinrichtung 20 gezeigt, die die Langzeit-Stabilität und -Genauigkeit des Sensors sicherstellt. Die Standardisierungseinrichtung 20 umfasst eine Kerankscheibe 190 mit einer flachen oberen Oberfläche 192. Die Scheibe 190 ist an ein piezzoelektrisches Kristall 194 gebunden und der Aufbau, der die Scheibe 190 und den Kristall 194 umfasst, wird von einem tassenförmigen Gehäuse 196 getragen, das auf der Welle eines linearen Solenoids 198 angebracht ist. Das lineare Solenoid 198 ist betreibbar, um das Gehäuse 196 zwischen einer zurückgezogenen Position auf der Schicht (9) und einer vorgeschobenen Position weg von der Schicht (10) durch eine Öffnung 200 in dem Gehäuse des unteren Aufbaus 16 zu bewegen. Wenn der Sensor auf der Schicht ist (9) ist das Gehäuse 196 in seiner zurückgezogenen Position innerhalb des Gehäuses des unteren Aufbaus 18 und ist in dieser Position vor Schmutz, Abfall und Feuchtigkeit durch einen Verschluss 202 der die Öffnung 200 versperrt, geschützt. Der Verschluss 202 ist zwischen der Öffnungssperrposition und einer Entsperrposition (10) mit Hilfe eines Drehsolenoids 204 bewegbar. Wenn der Sensor von dem Scanner von der Schicht wegbewegt wird (10), dann kann der Standardisierungsbetrieb auftreten. Der Verschluss 202 wird zunächst gedreht, um die Öffnung 200 zu entsperren (entblocken). Als nächstes wird das lineare Solenoid 198 erregt (mit Energie versorgt), um die Scheibe 190 in eine Position gegen die untere Oberfläche 164 des Schichtführungsrings 162 zu bewegen. In dieser Position kann das Gleichgewicht und der Hintergrundrauschgrad des Balancedetektors 44 gemessen und, wenn erforderlich, eingestellt werden. Ferner können die Hochfrequenzkomponenten des Detektorverhältnissignals Vs, wobei diese Komponenten Glättemessungen charakterisieren, in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung mit Hilfe des piezzoelektrischen Kristalls 194 simuliert werden. Zum Beispiel kann der Kristall durch eine Kristalltreiberschaltung 206 bei einer Frequenz über der Grenzfrequenz des Hochpassfilters 72 des ersten Kanals erregt werden, um ein messbares Signal an dem Sensor zur Verwendung als einen Betriebsstandard bereitstellen. Alternativ kann der Kristall 194 durch den Treiber 206 bei verschiedenen vorgegebenen Frequenzen erregt werden, um gemessene Oberflächencharakteristiksignale innerhalb der Bereiche der verschiedenen Kanäle 80–86 zu simulieren, so dass der Betrieb des Sensors für die entsprechenden Skalierungsgrößen-Spektren verifiziert werden kann. Wenn der Standardisierungsbetrieb beendet ist, wird das lineare Solenoid 198 erregt, um die Keramikscheibe 190 zurückzuziehen und der Verschluss 202 wird gedreht, um die Öffnung 200 zu schließen, um die Scheibe 190 vor Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen.
  • KOMPRESSIONSFÄHIGKEITS-KOMPENSATION
  • Typischerweise komprimieren Laborglättetester die Testprobe auf verschiedene Grade, während Messungen durchgeführt werden. Zum Beispiel wendet der Parker Print Surf Tester eine Kraft von 10 kg auf die Schicht während der Ausführung des Luftlecktests an, während der Bendtsen Tester 1 kg verwendet. Bei einigen Papierstärken, beispielsweise Rotogravur, ist die Oberfläche mit Absicht sehr komprimierbar ausgebildet. Bei diesen Stärken kann der Oberflächensensor der vorliegenden Erfindung einen Ausgang bereitstellen, der eine grobe Oberfläche anzeigt, während ein Laborluftleck-Tester die Anwesenheit einer glatten Oberfläche anzeigen könnte.
  • In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zwischen den Messwerten des Oberflächensensors der Erfindung und denjenigen von Laborluftlecktestern eine bessere Übereinstimmung dadurch erreicht, dass die on-line Oberflächenmessungen durchgeführt werden, während ein Druck auf die Schicht aufgebracht wird. In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die in 11 gezeigt ist, wird ein Lasertriangulationspositionierungs-Sensorsystem 16 der bereits in Verbindung mit 1 beschriebenen Art verwendet, um die Oberflächenmerkmale der sich bewegenden Schicht 250 zu messen, die sich in die Richtung bewegt, die in 11 gezeigt ist, das heißt von links nach rechts. Die obere Oberfläche 250a der Schicht 250 bewegt sich entlang der unteren horizontalen Oberfläche 28 des Schichtstabilisators 29, und zwar in der eben beschriebenen Weise. Wie zuvor wird das System 16 von dem oberen Kopf 22 eines herkömmlichen Scanners getragen.
  • Die Vorrichtung der 10 umfasst, unterhalb der Schicht 250, eine Plattform 254, die in dem unteren Kopf 24 des Scanners angebracht ist. Die Plattform 254 umfasst ein Gehäuse 256 mit einer oberen Öffnung 258 in einer Ausrichtung zu der vertikalen Strahlachse 30 des Sensorsystems 16. In dem Gehäuse 256 ist ein aufblasbarer Faltenbalk (eine Manschette) 260 mit einem oberen Abschnitt 262, der nach oben durch die Öffnung 258 vorsteht, angebracht. Auf dem oberen Ende des Faltenbalks 260 ist eine glatte horizontale Scheibe 264 zum Eingreifen an der Bodenoberfläche 250b der Schicht 250 angebracht. Das Innere des Faltenbalks 260 ist mit einer regelbaren Quelle 266 mit verdichteter Luft gekoppelt. Der Faltenbalk 260 wird an einer im wesentlichen vertikalen Position, wie in 11 gezeigt, entgegen von irgendwelchen Kräften, die auf die Scheibe 264 durch die sich bewegende Schicht angewendet wird, mit Hilfe eines Stabilisatorarms 268 gehalten, der ein an dem oberen Abschnitt 262 des Faltenbalks angebrachtes Ende 270 und ein anderes an dem Gehäuse 256 befestigtes Ende 272 aufweist. Der Stabilisatorarm 268 kann aus einem relativ dünnen starren Material, beispielsweise einem Schichtmetall oder Plastik, das über ein Gelenk an jedem Ende angebracht ist, sein und kann vorzugsweise aus einer dünnen flexiblen Schicht aus einem gewebten Tuch, Plastik oder dergleichen gebildet sein. In jedem Fall werden die kleinen Aufwärts- und Abwärtsbewegungen des oberen Abschnitts 262 des Faltenbalks leicht aufgenommen.
  • Verdichtete Luft, die in das Innere des Faltenbalks 260 von der Quelle 266 zugelassen wird, drängt die Scheibe 264 in einen Kontakt mit der unteren Oberfläche der Schicht 250, wodurch der Messbereich der Schicht in der Nähe des Führungsrings 162, das heißt dem Bereich der Schicht, die die Fläche enthält, die von dem optischen Sensorsystem 16 erfasst wird, zusammengedrückt wird. Die Kraft, die von dem Faltenbalk 260 ausgeübt wird, kann durch Regeln des Drucks der Luft, die an den Faltenbalk zugelassen wird, gesteuert werden, um die Kräfte zu simulieren, die durch verschiedene Labortester ausgeübt werden.
  • Als eine weitere Alternative wird ersichtlich sein, dass ein Luftfluss an die obere Kontaktoberfläche der Scheibe 264 bereitgestellt werden kann, um ein Luftlager zwischen der Scheibe und der unteren Oberfläche der Schicht zu erzeugen, um eine Reibung zu verringern und eine Markierung der Schicht zu beseitigen.
  • PROZESSSTEUERUNG
  • Um die Glätte des Papiers während seiner Herstellung zu steuern kann der Ausgang des on-line Oberflächensensors 10 der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einen oder mehrere der zahlreichen Papierherstellungs-Prozessparameter, die die Glätte oder die Textur (wie für den Fall von Gewebe) des abschließenden Produkts bestimmen, zu steuern. Die spezifischen Prozessparameter, die für eine Steuerung gewählt werden, werden von dem Papierprodukt abhängen, welches gerade hergestellt wird.
  • (1) BESCHICHTETE FEINPAPIERE
  • Verschiedene Strategien können verwendet werden, um die Glätte von beschichteten Feinpapier, das heißt Offset- und Rotogravur-Druckqualität, die Beschichtungen mit leichtem und mittlerem Gewicht aufweisen, zu steuern. Viele von diesen gleichen Strategien sind gültig für die Steuerung der Glätte der Schichtoberflächen von anderen Papierprodukten, einschließlich von Zeitungspapier, Auskleidungspapier, Maschinen glasiertes Papier, und so weiter, wie nachstehend erläutert werden wird.
  • Die Steuerstrategien für beschichtete Feinpapiere können die folgenden einschließen:
    • (a) Füllerinhalt – ein Füller oder Asche wird zu Papier hinzugefügt, um Leerstellen zu füllen und somit die Oberfläche zu glätten. Die Oberflächenmessung, die von dem on-line Oberflächensensor der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, kann verwendet werden, um die Menge des Füllers zu steuern, um einen Glättesollpunkt zu erfüllen.
    • (b) Beschichtungsgewicht – Papier wird oft beschichtet, um eine glatte Druckoberfläche bereitzustellen. Eine Beschichtungsgewichtssteuerung durch ein differentielles Basisgewicht oder eine differentielle Asche ist altbekannt. Wenn der Zweck der Beschichtung darin besteht eine glatte Oberfläche bereitzustellen ist jedoch eine Steuerung im Ansprechen auf die Messung der Glätte der beschichteten Oberfläche eine logischere Wahl.
    • (c) Eine Kalandrierung – eine Kalandrierung, die die Papieroberfläche dadurch glättet, dass sie zwischen entweder harten oder weichen Walzen gerollt wird, wird gesteuert durch:
    • (i) einen Druck – der Grunddruck des Kalanders wird durch das Walzengewicht bestimmt. Die Quenichtungs-(CD)-Verteilung des Drucks kann gesteuert werden durch:
    • [a] Spaltentlastung – der Druck kann durch eine Spaltentlastung an den Lagern auf einem oder beiden Enden der Walze verringert werden. Eine Spaltentlastung stellt eine gewisse Einrichtung für eine CD Steuerung durch Einstellen von jedem Ende unabhängig bereit.
    • [b] Krone – eine Erhöhung der Krone einer Walze bringt mehr Druck auf die Mitte der Schicht als entlang der Kanten. Eine Krone kann durch Erhöhen des Öldrucks innerhalb der Walze erhöht werden. Kombiniert mit der Spaltentlastung stellt dies eine CD Steuerung mit drei Zonen, d. h. bei den Enden und der Mitte, bereit.
    • (ii) Temperatur – eine Glätte des Papiers wird durch die Temperatur der Kalanderwalze Walzentemperatur erzeugt eine glattere beeinflusst. Eine höhere Oberfläche. Die Walzentemperatur kann gesteuert werden, durch:
    • [a] eine Induktionserwärmung –Temperatur der die Oberfläche der Kalanderwalze kann durch ein magnetisches Induktionserwärmungssystem wie "CalCoil", eine Marke der Measurex Corporation, Cupertino, Kalifornien, USA, für Induktionserwärmer-Steuerungsbetätigungsvorrichtungen für Kalander, gesteuert werden. Ein derartiges System ist in dem U.S. Patent Nr. 4,384,514 offenbart. Ein Feld von derartigen Erwärmern quer zu der Walze stellt eine CD Glättesteuerung durch Erwärmen der Walze auf Grundlage von CD Oberflächeglätte-Messungen, die von dem hier offenbarten Sensor durchgeführt werden, bereit.
    • [b] Öltemperatur – die Temperatur einer Kalanderwalze wird durch die Temperatur des Öls beeinflusst, das an die Walze geführt wird. Jedoch kann diese Steuerungsstrategie weniger effektiv als eine Induktionserwärmung während der thermischen Trägheit in Verbindung mit einer Änderung der Öltemperatur sein.
    • (d) Formation – eine Formation bezieht sich auf die Verteilung von Fasern in der Schicht. Eine schlechte Formation bedeutet, dass Klumpen von Fasern in der Schicht vorhanden sind. Wenn eine schlechte Formation vorhanden ist, ist es schwierig eine glatte Oberfläche zu ermitteln. Eine Formation kann durch Steuern der Konsistenz, das heißt, des prozentualen Trockenfasergehalts des Vorratsschlamms in der Headbox gesteuert werden. Allgemein führt eine geringere Konsistenz zu einer besseren Formation. Für eine CD Formationssteuerung sind einige Systeme mit einer CD Steuerung der Verdünnung des Vorratsschlamms in der Headbox versehen. Es ist gewöhnlicherweise wünschenswert in der Headbox eine so hohe Konsistenz wie möglich bereitzustellen, da die Papierherstellungsmaschine dann schneller laufen kann, wodurch eine Produktion erhöht wird. Eine Steuerstrategie besteht darin eine Konsistenz so hoch wie möglich beizubehalten, während eine Zielglätte noch aufrecht erhalten wird. Da eine Glätte durch mehrere Aspekte, abgesehen von einer Formation, beeinflusst wird, sollte ein Formationssensor in Verbindung mit dem Glättesensor verwendet werden, so dass eine Formation unabhängig bestimmt werden kann, wenn Glätteziele nicht erreicht werden.
  • 12 zeigt schematisch eine Maschine 300 zum Herstellen von beschichtetem Feinpapier mit Oberflächen, deren Glätte unter Verwendung von Bestimmten der Strategien, die voranstehend angegeben wurden, gesteuert wird. Die Papierherstellungsmaschine 300 umfasst eine Headbox 302, an die ein Vorrat mit Hilfe einer Pumpe (nicht gezeigt) zugeführt wird. Die Headbox 302 gibt durch eine Scheibenlippe, deren Querrichtungsprofil in einer in dem technischen Gebiet altbekannten Weise gesteuert werden kann, einen Papierbrei aus. Der Papierbrei, der von der Headbox 302 ausgegeben wird, wird auf ein Endlos-Drahtsieb-Band ("Draht") 304 aufgebracht, wobei der so aufgebrachte Vorrat in der Form einer kontinuierlichen Schicht oder einer Bahn des Papiervorrats ist, aus dem schließlich eine kontinuierliche Papierschicht gebildet wird. Das Wasser und anderes Material, welches von dem Draht 304 abfließt, wird in einem Reservoir (nicht gezeigt) unterhalb des Drahts 304 gesammelt und an die Headbox 302 zurückgeführt. Jedoch wird der Großteil der Faser auf dem Draht zurückgelassen, um eine gesetzte Schicht von Papier zu bilden.
  • Über der Papierschicht auf dem Draht 304 ist eine Dampfbox 306 angebracht. Dampf, der von der Dampfbox 306 abgegeben wird, hebt die Temperatur der Schicht an, wodurch die Viskosität der faserförmigen Masse abgesenkt und deren Abflussrate erhöht wird. Die Dampfbox 306 ist mit einer Vielzahl von Düsen für eine Querrichtungs-Feuchtigkeitssteuerung versehen. Nach Verlassen des Drahts 304 geht die Schicht durch einen Druckabschnitt 308, der aus einer Vielzahl von Walzen bzw. Rollen besteht, die einen beträchtlichen Teil der überschüssigen Feuchtigkeit in der Schicht entfernen. Die Schicht geht dann durch die Zylinder eines Trocknungsabschnitts 310 und von dort zwischen einem Paar von Vorbeschichtungs-"Kalandrierer" 312. Gesättigter Dampf, der von den Kalandrierern 312 bei einer niedrigen Flussrate abgegeben wird, weicht die Oberfläche der Schicht für eine bessere abschließende Oberfläche auf. So wie dies der Fall bei den meisten Verarbeitungselementen entlang des Schichtpfads in der Papierherstellungsmaschine 300 ist, sind die Kalandrierer 312 mit einer Querrichtungssteuerung versehen. Die Schicht geht als nächstes durch einen Kalanderstapel 314, der ein vertikales Feld von Rollen bzw. Walzen umfasst, die die Oberflächen der Schicht weiter glätten. Die Schicht geht dann durch einen ersten herkömmlichen Scanner 316 mit Scanköpfen, die einen Feuchtigkeitssensor und obere und untere Glättesensoren in Übereinstimmung mit der Erfindung, die hier beschrieben werden, aufnehmen. Der Papierherstellungsprozess an diesem Punkt wird als das "feuchte Ende" des Prozesses bezeichnet.
  • Wie in 12 gezeigt können verschiedene Glättesteuerungsstrategien auf Grundlage von Messungen, die von den Glättesensoren durchgeführt werden, die von dem Scanner 316 getragen werden, verwendet werden und diese sind in den verschiedenen Boxen in 12 im Zusammenhang mit dem feuchten Ende des Papierherstellungsprozesses beschrieben. Die Vorgehensweisen, mit denen eine Steuerung über die verschiedenen Stufen 306, 310, 312 und 314 des Prozesses des feuchten Endes im Ansprechen auf die Feuchtigkeits- und Glättemessungen, die an der Scanstation 316 durchgeführt werden, ausgeübt werden kann, sind in dem technischen Gebiet altbekannt und müssen nicht weiter erläutert werden.
  • In Fortführung des Papierherstellungsprozesses der 11 läuft die Papierschicht nach Verlassen des Scanners 316 durch ein Paar von Beschichtungsstationen 318 und 320, an denen Beschichtungen auf die oberen und unteren Oberflächen der Papierschicht angebracht werden. Wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist können diese Beschichtungen zum Beispiel Ton oder CaCO3 Pigmente zusammen mit einem Stärke- oder Latex-Bindemittel enthalten. Die Beschichtungsstationen 318 und 320 umfassen Deckel 322 bzw. 324, die heiße Luft mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberflächen der Schicht blasen, um eine Trocknung der Beschichtungen zu beschleunigen. Zwischen den Beschichtungsstationen 318 und 320 befindet sich ein zweiter herkömmlicher Scanner 326, der Beschichtungsgewichtssensoren zum Messen und Steuern der Menge der Beschichtungsmaterialien, die auf die Schicht angebracht werden, enthält.
  • Nach der Beschichtungsstation 320 tritt die Papierschicht in einen Trocknungsabschnitt 328 ein, der eine Reihe von Zylindern für eine weitere Trocknung der Beschichtungen umfasst. Dem Trocknungsabschnitt 328 folgen obere und untere Dampikalandrierer 330 und 332 und ein Kalanderstapel 334, der für den Zweck der Illustration so dargestellt ist, dass er zwei Walzen umfasst. Die CD Verteilung des Drucks, der durch die Walzen des Kalanderstapels 334 ausgeübt wird, kann durch Verändern der Spaltentlastung und/oder der Krone gesteuert werden. Um den Durchmesser zu steuern und die Glätte der Oberflächen der Schicht weiter zu verbessern, kann der Walzenspalt zwischen den Walzen (und deshalb der auf die Schicht angewendete Druck) unter Verwendung eines induktiven Erwärmers 336 des Typs, der in dem voranstehend erwähnten U.S. Patent 4,384,514 offenbart ist, verändert werden. Der Erwärmer 336 ist in der Nähe von einer der Walzen des Kalenderstapels 334 positioniert und ist in der Lage eine CD Temperatursteuerung durchzuführen. Die Schicht geht dann durch einen dritten herkömmlichen Scanner 338, der wieder die Feuchtigkeit und die obere und untere Glätte misst, wobei diese Messungen für die Steuerung der verschiedenen Trockenenden-Stufen verwendet werden, wie in 12 gezeigt und beschrieben. Dem Trockenenden-Scanner 338 folgt eine Aufwickelrolle 340 zum Speichern der Papierschicht, bis sie für eine weitere Verwendung umgewandelt wird. Die Vorgehensweisen, mit denen eine Steuerung der Trockenenden-Stufen 322, 324, 328, 330 und 334 im Ansprechen auf Glätte- und Feuchtigkeitsmessungen, die an der Scanstation 338 durchgeführt werden, bewirkt werden kann, sind in dem technischen Gebiet alle bekannt.
  • Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass die "Steuerziele" und Scannermessungen, die in 12 (sowie den Figuren, die folgen) beschrieben sind, an einem Computersystem (nicht gezeigt) dargeboten werden, welches Steuerausgänge aufweist, die mit Betätigungsvorrichtungen verbunden sind, die zu den Steuerungen der verschiedenen Stufen (306, 310, 312 und so weiter) der Papierherstellungsmaschine 30 gehören. Ferner, wie in 12 und in nachfolgenden Figuren gezeigt, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet verstehen, dass eine "Entkopplung" der verschiedenen Steuerungen von dem Computersystem bereitgestellt wird. Eine derartige "Entkopplung" wird benötigt, um Kompensationen für die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Steuerungen bereitzustellen.
  • (2) ZEITUNGSDRUCK
  • Für den Fall eines Zeitungsdrucks unter Verwendung des on-line Sensors der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen von Glättesteuersignalen kann die Zielglätte durch Steuerung unter Verwendung von mehreren Steuerstrategien, hauptsächlich einer Kalandersteuerung, erzielt werden. Die gleichen Steuerstrategien, die mit einer Kalandersteuerung für Druckgrade verwendet werden, können für einen Zeitungsdruck verwendet werden. Da eine Kalandrierung auch für eine CD Durchmessersteuerung des Zeitungsdrucks verwendet wird, könnte jedoch die Glättesteuerung nur auf MD begrenzt sein. Zum Beispiel würde die Basiskalender-Walzentemperatur durch den Glättesollpunkt bestimmt werden, während eine CD Erwärmung durch eine Durchmessersteuerung bestimmt werden würde.
  • 13 ist eine schematische Darstellung einer Papierherstellungsmaschine 400 zum Erzeugen eines Zeitungsdrucks (Zeitungspapier). Die Zeitungsdruck-Papierherstellungsmaschine 400 ist in vielerlei Hinsicht ähnlich zu der Maschine 300 zum Erzeugen von beschichteten Feinpapieren, wobei der grundlegende Unterschied die Weglassung der Zeitungsdruckmaschine von den Schichtbeschichtungsstationen ist. Somit umfasst die Maschine 400 eine Headbox 402; einen Draht 404; einen Druckabschnitt 406; eine Dampfbox 408, die mit der Schicht zusammenarbeitet, die durch den Druckabschnitt 406 geht; einen Trocknungsabschnitt 410; eine Kalandriererstation 412; einen Kalanderstapel 414 mit einem zugehörigen induktiven Erwärmer 416; einen Scanner 418, der einen Glättesensor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, zusammen mit einem Feuchtigkeitssensor, trägt; und eine Aufwickelrolle 420. Abgesehen von der Kalandersteuerung kann eine Steuerung über die Stufen 408, 410 und 412 der Zeitungsdruckmaschine unter Verwendung von Glättemessungen, wie in 13 gezeigt und beschrieben, erzielt werden.
  • (3) AUSKLEIDUNGSPAPIER
  • Ausgangssignale von dem Glättesensor der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um verschiedene Stufen des Prozesses zum Herstellen eines Auskleidungspapier zu steuern. Um eine glatte Druckoberfläche auf einem Auskleidungspapier bereitzustellen kann eine dünne obere Schicht mit einer glatten Endbearbeitung auch oben auf die dickere Basisschicht angebracht werden. Sowohl eine CD als auch eine MD-Glättesteuerung der oberen Schicht kann erzielt werden. Eine Kalandrierung wird ebenfalls verwendet, um ein Auskleidungspapier zu glätten, und eine Steuerung dieser Stufe würde die gleiche wie bei Druckqualitäten sein.
  • Bezugnehmend auf 14 ist dort schematisch ein Abschnitt einer Papierherstellungsmaschine 500 zum Herstellen von Auskleidungspapier gezeigt. Die Auskleidungspapier-Herstellungsmaschine 500 ist ähnlich zu der Zeitungsdruck-Maschine 400 und umfasst eine Headbox 502; einen Draht 504; eine Dampfbox 506; einen Druckabschnitt 508; einen Trocknungsabschnitt 510; eine Kalandriererstation 512; einen Kalanderstapel 14; einen Scanner, der einen Glättesensor, wie hier beschrieben, zusammen mit einem Feuchtigkeitssensor trägt; und eine Aufwickelrolle 518. Die verschiedenen Steuerstrategien sind in 14 zusammengefasst.
  • (4) MASCHINENGLASIERT
  • Die Glätte von Mehrschicht- und Kraft-Papier wird oft mit Hilfe eines maschinenglasierten Zylinders gesteuert. Ein maschinenglasierter Zylinder ist ein höchst polierter Zylinder, an den die Papierschicht gedrückt wird, um eine glatte glänzende Oberfläche hervorzubringen. Der Grad der Glättung kann durch den Feuchtigkeitsgehalt des Papiers, das in die Walze hineingeht, gesteuert werden. Feuchtigkeit kann sowohl in MD als auch in CD durch eine CD sektionierte Dampfbox gesteuert werden, die den Schichtfeuchtigkeitsgehalt durch Trocknen der Schicht mit heißem Dampf, der auf die Schicht angewendet wird, steuert. Durch Anwenden von unterschiedlichen Dampfmengen in jedem Abschnitt wird eine CD Steuerung erreicht. Die Feuchtigkeit kann auch mit Hilfe einer Wasserdusche gesteuert werden, die zu der Schicht durch Aufsprühen von Wasser von einem CD Feld von Düsen Feuchtigkeit hinzufügt. Noch weiter kann eine differentielle Dampfdrucksteuerung der Trockner, vor dem maschinenglasierten Zylinder, verwendet werden, um eine Feuchtigkeit der Schicht, die in den maschinenglasierten Zylinder hinein geht, zu steuern.
  • 15 zeigt schematisch eine maschinenglasierte Papierherstellungsmaschine 600 und die Vorgehensweise, mit der die Glätte der Oberflächen der Mehrschicht- und Kraft-Papierprodukte unter Verwendung des Glättesensors der Erfindung gesteuert werden können.
  • Die Maschine 600 umfasst allgemein eine Headbox 602; einen Draht 604; einen Druckabschnitt 606; eine Dampfbox 608; einen Trocknungsabschnitt 610; einen ersten herkömmlichen Scanner 612; einen maschinenglasierten Zylinder 616; einen zweiten Trocknungsabschnitt 618; einen Kalandriererabschnitt 620; einen Kalanderstapel 622 mit einem zugehörigen Induktionserwärmer 624; einen herkömmlichen Scanner 626; und eine Aufwickelrolle 628. Der erste Scanner trägt einen Schichtfeuchtigkeitssensor, während der zweite Scanner sowohl einen Feuchtigkeitssensor als auch einen Glättesensor in Übereinstimmung mit der hier beschriebenen Erfindung trägt. Die verschiedenen Steuerstrategien sind in 15 zusammengefasst.
  • (5) SUPER-KALANDRIERTES FEINPAPIER
  • Unter Bezugnahme auf 16 kann die Steuerung der Glätte von Feinpapieren durch einen Superkalander (Kalander zum Herstellen von extrem glattem Papier) durch Verwendung des Glättesensors der Erfindung, um den Superkalander (entweder weg von der Maschine, wie in 16 gezeigt, oder auf der Maschine), bewirkt werden. Das Papier tritt in einen Superkalanderstapel 700 ein, der ein vertikales Feld von Walzen umfasst, bei denen sich gekühlte Walzen und gefüllte Walzen abwechseln. Verschiedene Glättesteuerstrategien, die von einem Computer auf Grundlage von Messungen überwacht werden, die von dem Glättesensor durchgeführt werden, der von einem herkömmlichen Scanner 704 getragen wird, können verwendet werden und diese sind in den verschiedenen Boxen in Verbindung mit 16 beschrieben. Gesättigter Dampf bei einer geringen Flussrate von mehreren Dampfduschen 706, die von dem Computer 702 gesteuert und auf beiden Seiten der Bahn angebracht sind, erweicht zum Beispiel die Oberflächen der Schicht für eine bessere Oberflächenendbearbeitung. Die CD Verteilung des Drucks, der von den Walzen des Superkalanderstapels 700 ausgeübt wird, kann durch Verändern der Spaltentlastung und/oder der Krone gesteuert werden, um die Glätte zu verbessern. Um den Durchmesser zu steuern und die Glätte der Oberflächen der Schicht weiter zu verbessern kann der Spalt zwischen den Walzen (und deshalb der auf die Schicht angewendete Druck) unter Verwendung eines induktiven Erwärmers 708 des Typs, der in dem voranstehend erwähnten U.S. Patent 4,384,514 offenbart ist, verändert werden. Der Erwärmer 708 ist in der Nähe von einer der Rollen des Superkalanderstapels positioniert und ist in der Lage eine CD Temperatursteuerung durchzuführen. Nachdem die Schicht durch den Scanner 704 geht, wird sie auf einer Aufwickelrolle 710 gespeichert.
  • Steuerstrategien, ähnlich wie diejenigen, die in 16 zusammengefasst sind, können verwendet werden, um die Glätte des glasurförmigen und superkalandrierten Magazinpapiers zu steuern.
  • (6) GEWEBE
  • Bei der Herstellung von Gewebe ist eine Verformung (Kreppung bzw. Kräuselung) eine wichtige Vorgehensweise zur Erhöhung der Textur und Weichheit des Gewebes. Eine Verformung bzw. Kreppung ist der Prozess, bei dem kleine Falten in die Schicht gebracht werden. Die Tiefe und Beabstandung der Falten gibt die Textur an der Schicht. Eine Schicht mit einem großen Abstand zwischen Falten wird sich grober anfühlen als eine Schicht mit einem engen Abstand.
  • Eine Verformung bzw. Kreppung tritt während des Trocknungsprozesses auf, wenn das Gewebe von der Trocknertrommel (die als der Yankee-Zylinder bezeichnet wird) mit einer Doktor- oder Kreppklinge abgeschabt wird. Eine Kreppung wird durch den Winkel der Doktorklinge und den Grad einer Anhaftung an dem Yankee-Zylinder bestimmt. Eine Anklebung bzw. Anhaftung wird durch einen Polymer bereitgestellt, der kontinuierlich auf die äußere Oberfläche des Yankee-Zylinders gesprüht wird. Der Winkel der Doktorklinge ist in die Klinge geschliffen und kann nicht geändert werden, sobald sie auf der Maschine installiert ist. Wenn sich die Klinge abnutzt verändert sich der Winkel, was die Kreppung beeinflusst.
  • Mehrere Techniken können verwendet werden, um den Kreppprozess zu steuern, unter anderem die Folgenden:
    • (a) Eine Steuerung des Flusses der Polymer-Klebemittelsprühung. Durch Verwendung von Sprühdüsen mit variablem Fluss über den Yankee-Zylinder kann die Menge des Klebemittel-Polymers sowohl in MD als auch CD gesteuert werden.
    • (b) Steuerung des Winkels der Kreppung oder der Doktorklinge.
    • (c) Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Schicht, die auf den Yankee-Zylinder geht. Eine feuchtere Schicht, die auf den Yankee-Zylinder gerade geht, wird eine geringere Anhaftung als eine trockenere Schicht aufweisen.
  • 17 zeigt schematisch eine Maschine 800 zum Herstellen von Gewebe und die verschiedenen Vorgehensweisen, mit denen der Prozess gesteuert werden kann, um die Kreppeigenschaften des Gewebes zu steuern. Die Maschine 800 umfasst eine Headbox 802 und einen Draht 804. Die Gewebeschicht, die den Draht 804 verlässt, bewegt sich um eine Dampfbox 806 herum, die gesättigten Dampf auf die Gewebeschicht abgibt, um eine Trocknung davon zu steuern. Von der Dampfbox 806 bewegt sich die Papierschicht um eine einfache Pressdruckwalze 808 herum, die in dem Beispiel der betrachteten Maschine sich in eine Gegenuhrzeigerrichtung dreht. Die Schicht geht durch einen Walzenspalt (Spalt), der durch die einfache Presswalze 808 und den Yankee-Zylinder 810, ein großer erwärmter Zylinder, der sich in 17 in der Uhrzeigerrichtung dreht, definiert wird. Wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist, ist die Oberfläche des Yankee-Zylinders mit einem Polymerklebemittel beschichtet, das auf die äußere Oberfläche des Yankee-Zylinders mit Hilfe eines Klebemittel-Sprühbalkens 812 angebracht wird. Mit Hilfe des Polymerklebemittels haftet die Gewebeschicht an der Oberfläche des Zylinders an. Die erhöhte Temperatur des Zylinders entfernt die Feuchtigkeit von der Gewebeschicht. Der Druck der einfachen Druckwalze 808 kann gesteuert werden, um die Weichheit des Gewebes zu steuern. Eine Verringerung in dem Druck, der von der einfachen Druckwalze ausgeübt wird, führt zu einer erhöhten Weichheit. Die Gewebeschicht, die an der äußeren Oberfläche des Yankee-Zylinders anhaftet, durchläuft schließlich eine Kreppung oder eine Doktorklinge 814, die, was ebenfalls in dem technischen Gebiet bekannt ist, die Gewebeschicht von der Oberfläche des Yankee-Zylinders abstreift. Es handelt sich genau um diesen Abstreifprozess, der die primäre Vorgehensweise ist, mit der Faltungen oder eine Kreppung auf die Gewebeschicht ausgeübt werden, was sie weich macht. Wie in 18 gezeigt ist die Kreppungs- oder Doktorklinge 814, die von einer einstellbaren Halterung 816 getragen wird, unter einem Winkel θ zu einem Radius R des Yankee-Zylinders 810 angeordnet. Veränderungen in dem Winkel θ werden durch einen Kreppklingen-Winkelcontroller 818 gesteuert, der mit dem Ausgang des Überwachungscomputers verbunden ist. Der Winkel der Klinge 814 bestimmt den Grad der Kreppung und somit die Weichheit des Gewebes. Von der Doktorklinge 814 bewegt sich die Schicht durch einen herkömmlichen Scanner 820, der einen Feuchtigkeitssensor zusammen mit einem Oberflächencharakteristiksensor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Messen der Höhen der Falten in der Gewebeschicht, die gerade für verschiedene Bereiche der Faltskalierungsgrößen hergestellt wird, trägt. Von dem Scanner 820 bewegt sich die Schicht an eine Aufwickelrolle 822. Der Ausgang des Oberflächensensors des Scanners 820 kann verwendet werden, um eine oder mehrere der verschiedenen Stufen der Gewebeherstellung, einschließlich, wie in 17 gezeigt und beschrieben, der Dampfbox 806; der einfachen Presswalze 808; der verschiedenen Yankee-Zylinder-Parameter einschließlich eines Dampfdrucks, einer Maschinengeschwindigkeit, eines Vorratsflusses und einer Deckeltemperatur; des Polymerklebemittel-Sprühstabs 812 und des Winkels der Kreppklinge 614, zu steuern. Wiederum sind die spezifischen Vorgehensweisen, mit denen die Gewebemaschinenelemente gesteuert werden können, bekannt.
  • Der Oberflächensensor der Erfindung kann auch verwendet werden, um den Zustand der Doktorklinge 814 zu überwachen. Wenn sich die Klinge abnutzt werden die Kreppfaltungen tiefer und weiter entfernt. Diese Parameter können kontinuierlich durch den Oberflächensensor 10 gemessen werden und an dem Mühlenbetreiber kann eine Anzeige über die abgeschätzte verbleibende Klingenlebensdauer bereitgestellt werden. Wenn die Kreppfaltungsparameter vorgegebene Grenzen erreichen, kann ferner ein Alarm ausgelöst werden, der den Betreiber warnt, dass die Klinge ersetzt werden muss.

Claims (29)

  1. Vorrichtung für die kontinuierliche On-Line Messung von Oberflächenmerkmalen einer sich bewegenden Schicht (12, 250), wobei die Oberflächenmerkmale verschiedene Skalierungsgrößen und – Höhen aufweisen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Laserlichtquelle (32); eine Einrichtung zum Fokussieren (34, 36) eines einfallenden Lichts von der Laserquelle entlang eines optischen Pfads (30), der durch die Oberfläche der sich bewegenden Schicht unterbrochen wird, um einen Lichtfleck (38) auf die Oberfläche zu strahlen; eine Einrichtung zum Sammeln von Licht, das bei einem nicht-spiegelndem Winkel von dem bestrahlten Fleck gestreut wird; einen fotoempfindlichen Detektor (44), der auf ein Spektrum von Frequenzen anspricht, die von den verschiedenen Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößen erzeugt werden, wobei der Detektor einen Ausgang aufweist; eine Einrichtung zum Fokussieren des gesammelten gestreuten Lichts (40) auf dem fotoempfindlichen Detektor, wobei der Ausgang des Detektors ein Ausgangssignal bereitstellt, welches Veränderungen der Höhenposition des Lichtflecks auf der Oberfläche der sich bewegenden Schicht darstellt; und eine Vielzahl von Kanälen (80–86), die jeweils ein Filter (72–78) enthalten, das auf das Ausgangssignal des Detektors anspricht, wobei die Filter unterschiedliche Grenzfrequenzen zum Durchlassen von unterschiedlichen Frequenzspektren, die unterschiedliche Bereiche der Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößen darstellen, aufweisen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der: die Vielzahl von Kanälen eine entsprechende Vielzahl von aneinander angrenzenden Skalierungsgrößenbereichen aufspannen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit: einer Einrichtung zum Überwachen der Geschwindigkeit der sich bewegenden Schicht (100) und Bereitstellen eines Ausgangs, der die Geschwindigkeit anzeigt; und eine Einrichtung zum Verändern der Grenzfrequenz von jedem der Filter im Ansprechen auf Veränderungen in dem Ausgang der Schichtgeschwindigkeits-Überwachungseinrichtung.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der: der fotoempfindliche Detektor einen Balancedetektor umfasst, der ein Paar von Signalen erzeugt, wobei das Detektorausgangssignal proportional zu der Differenz zwischen den Signalen des Paars von Signalen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, mit: einer Signalverarbeitungseinrichtung (56) zwischen dem Detektor und wenigstens einem der Kanäle, zum Bearbeiten des Paars von Detektorsignalen, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung einen Ausgang bereitstellt, der eine Funktion des Verhältnisses der Differenz zwischen dem Paar von Signalen zu der Summe des Paars von Signalen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der: der Balancedetektor ein Paar von seitlich nebeneinander angeordneten fotoempfindlichen Zellen (50, 52) getrennt durch einen kleinen linearen Spalt (54) umfasst, die so angeordnet sind, dass das Licht (48), das auf dem Balancedetektor fokussiert ist, den Spalt überbrückt, um so zu einem größeren oder kleinerem Ausmaß die Detektorzellen im wesentlichen in Übereinstimmung mit der Höhenposition des Lichtflecks, der auf die Oberfläche der sich bewegenden Schicht strahlt, zu bestrahlen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der: jede der fotoempfindlichen Zellen dafür ausgelegt ist, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, dass das Ausmaß einer Bestrahlung von dieser Zelle durch das gesammelte gestreute Licht anzeigt, wobei das Detektorausgangssignal im wesentlichen proportional zu der Differenz zwischen den Signalen, die von den Zellen des Detektors erzeugt werden, ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der: der lineare Spalt, der die Balancedetektorzellen trennt, bei einem Winkel zu der Bewegungsrichtung des Lichtflecks, der auf den Detektor einfällt, um den Bereich des Detektors zu erweitern, angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der: jedes Filter ein Hochpassfilter umfasst.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, mit: einer Einrichtung (100) zum Überwachen der Geschwindigkeit der sich bewegenden Schicht und zum Bereitstellen eines Ausgangs, der die Geschwindigkeit anzeigt; und bei der: das Hochpassfilter (100) ein RC Filter mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des fotoempfindlichen Detektors verbunden ist, einen variablen Widerstand, und einen Ausgang über den variablen Widerstand umfasst, und mit einer Einrichtung zum Steuern des Werts des Widerstands im Ansprechen auf den Ausgang der Geschwindigkeitsüberwachungseinrichtung.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der: die Widerstandswert-Steuereinrichtung eine XY Multipliziererschaltung (116) mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang der Schichtgeschwindigkeits-Überwachungseinrichtung verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Filters verbunden ist, umfasst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der: jedes Filter ein Bandpassfilter umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, die einschließt: eine Einrichtung, die eine Referenzoberfläche (28) definiert, entlang der die Oberfläche (12a) der Schicht ausgelegt ist, um sich in nächster Nähe zu bewegen, wobei die Referenzoberfläche im wesentlichen in einer Ebene liegt, an der die Einfallslicht-Fokussierungseinrichtung den Lichtfleck, der die Oberfläche der Schicht bestrahlt, fokussiert; und einen Schichtstabilisator (29) zum Halten der Oberfläche der sich bewegenden Schicht in nächster Nähe zu der Referenzoberfläche.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, die einschließt: eine Einrichtung, die eine Referenzoberfläche definiert, entlang der die Oberfläche der Schicht ausgelegt ist, um sich in nächster Nähe zu bewegen, wobei die Referenzoberfläche in einer Ebene liegt, an der die Einfallslicht-Fokussierungseinrichtung den Lichtfleck, der auf die Oberfläche der Schicht strahlt, fokussiert; ein Standardisierungselement (190) mit einer optischen Standardisierungsoberfläche (192); eine Einrichtung zum Bewegen (194) des Standardisierungselements in eine Standardisierungsposition weg von der Schicht, an der die optische Standardisierungsoberfläche im wesentlichen in der Ebene der Referenzoberfläche positioniert ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner einschließend: eine Einrichtung zum Oszillieren (206) der Position des Standardisierungselements in einer Richtung entlang der optischen Achse des einfallenden Lichts bei wenigstens einer vorgegebenen Frequenz und wenigstens einer vorgegebenen Amplitude, die jeweils wenigstens eine Oberflächenmerkmals-Skalierungsgröße und wenigstens eine Oberflächenmerkmals-Höhenveränderung darstellen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der: das Filter jedes Kanals einen Ausgang aufweist; jeder Kanal einen RMS AC-zu-DC-Wandler (88–94) umfasst, der mit dem Ausgang des Filters verbunden ist, das zu diesem Kanal gehört, wobei jeder besagte RMS AC-zu-DC-Wandler einen Kanalausgang bereitstellt.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der: der AC-zu-DC-Wandler ein Kanalausgangssignal bereitstellt, das den echten RMS Wert eines Signals anzeigt, das von dem Filter ausgegeben wird, das zu diesem Kanal gehört.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der: jedes Filter ein Hochpassfilter mit einer vorgegebenen Grenzfrequenz ist; und die Vorrichtung ferner einschließt: eine Arithmetikeinheit (118), die mit den Ausgängen von zwei der Kanälen verbindbar ist, wobei die Arithmetikeinheit einen Ausgang bereitstellt, der die Höhenpositionsveränderungen innerhalb des Skalierungsgrößenbereichs entsprechend zu den Grenzfrequenzen der Filter in den zwei Kanälen anzeigt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der: der Lichtfleck, der auf der Oberfläche der Schicht durch die Einfallslicht-Fokussierungseinrichtung erzeugt wird, eine Breite von nicht größer als 20 Mikrometern aufweist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 1, die einschließt: wenigstens einen Kanal mit einem Filter, das auf das Ausgangssignal des Detektors anspricht, zum Herausfiltern von Veränderungen in dem Detektorausgangssignal, die sich von niederfrequenten Phänomenen wie einem Schichtflattern ergeben, und zum Durchlassen von Frequenzen in dem Detektorausgangssignal, die einen Bereich der Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößen darstellt.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der: die Vorrichtung angeordnet ist, um eine Charakteristik einer Oberfläche einer sich bewegenden Papierschicht (250) mit gegenüberliegenden Oberflächen zu messen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Stützplattform (254), die benachbart zu der nicht-bestrahlten Oberfläche der Schicht positioniert ist, wobei die Stützplattform eine Einrichtung zum Vorspannen des Bereichs auf der Schicht, die von dem Lichtfleck bestrahlt wird, in Richtung auf eine Oberfläche (162) der Vorrichtung hin, wodurch der Bereich des sich bewegenden Papiers komprimiert wird, einschließt.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der: die Vorspanneinrichtung einen aufblasbaren Faltenbalg (260) mit gegenüberliegenden Endabschnitten umfasst, wobei einer der Endabschnitte an der Plattform (254) angebracht ist, wobei der andere der Endabschnitte positioniert ist, um die Schicht in Richtung auf die Oberfläche der Vorrichtung zu drängen.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22, einschließend: einen Stabilisatorarm (268), der das andere Ende des Faltenbalgs mit der Plattform verbindet, wobei der Stabilisatorarm der Tendenz des einen Endes des Faltenballs von der sich bewegenden Schicht entlang getragen zu werden, entgegenwirkt.
  24. Verfahren zum Messen der Oberflächenmerkmale einer sich bewegenden Schicht (12, 250), wobei die Oberflächenmerkmale verschiedene Skalierungsgrößen und -Höhen aufweisen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Fokussieren von Licht von einer Quelle (32) entlang eines optischen Pfads (30), der durch die Oberfläche der sich bewegenden Schicht unterbrochen wird, um einen Lichtfleck (38) auf die Oberfläche zu strahlen; Sammeln von Licht, das bei einem nicht-spiegelndem Winkel von dem bestrahlten Fleck gestreut wird; Bereitstellen, im Ansprechen auf das gesammelte Licht, eines Signals, welches Veränderungen in den Höhen der Oberflächenmerkmale darstellt und ein Frequenzspektrum, das durch die verschiedenen Skalierungsgrößen der Oberflächenmerkmale erzeugt wird, aufweist; Verarbeiten des Signals zum Erzeugen einer Vielzahl von Signalen in Kanälen, die einen gesamten Frequenzbereich gewählt in Übereinstimmung mit dem gesamten Bereich von Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößen von Interesse abdecken, wobei jeder Kanal einen Oberflächenmerkmals- Skalierungsgrößenbereich abdeckt, der anders als die Oberflächenmerkmals-Skalierungsgrößenbereiche der übrigen Kanäle ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Filterungs-Grenzfrequenz für jeden Kanal; Überwachen der Geschwindigkeit der sich bewegenden Schicht; und Steuern der Grenzfrequenz von jedem Kanal im Ansprechen auf Veränderungen in der Geschwindigkeit der Schicht.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend die folgenden Schritte: Filtern des Signals zum Erzeugen einer Vielzahl von gefilterten Ausgängen, wobei jeder der gefilterten Ausgänge zu einem der Vielzahl von Kanälen gehört, wobei jeder gefilterte Ausgang von dem Signal durch Herausfiltern von sämtlichen Frequenzkomponenten des ersten Signals über einer vorgegebenen Frequenz abgeleitet wird, und wobei die vorgegebene Frequenz für jeden gefilterten Ausgang anders ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend den folgenden Schritt: Erzeugen eines getrennten DC Ausgangs von jedem gefilterten Ausgang, wobei jeder DC Ausgang den echten quadratischen Mittelwert eines gefilterten Ausgangs anzeigt.
  28. Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend den folgenden Schritt: Speichern von Werten des Signals während einer vorgegebenen sukzessiven Datenansammlungszeit.
  29. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Oberflächenmerkmale eine kreppartige Verformung umfassen.
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