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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Messen und Steuern
der Menge einer auf Papierblätter
oder andere Objekte aufgebrachten Beschichtung, und insbesondere
eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen das Basisgewicht der
Beschichtung auf einem sich bewegenden Papierblatt überwacht
und geregelt wird, während
sie auf das Blatt aufgebracht wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Im
Papierherstellungsprozess ist es häufig wünschenswert, ein Papierblatt
("Basisblatt" genannt) mit irgendwelchen
von mannigfachen Materialien zu beschichten. Tatsächlich ist
ein zunehmender Anteil der Weltpapierproduktion beschichtetem Papier
und beschichtetem Karton gewidmet. Beschichtungen werden gewöhnlich aufgebracht,
um Zeitschriftenseiten, Geschenkverpackungen, Schuhschachteln und
dergleichen mit einer glänzend
weißen
Oberfläche
zu versehen. Alternativ oder zusätzlich
können
solche Beschichtungen auch dazu bestimmt sein, das Papierblatt wassertest
zu machen. Als ein weiteres Beispiel für ein Beschichtungsmaterial
kann mikroverkapselte Farbe als eine Beschichtung auf eine Seite
eines Blatts kohlenstofffreies Kopierpapier aufgebracht werden.
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Es
gibt mannigfache Beschichtungsrezepturen, von denen viele aus nicht
weniger als zehn Komponenten bestehen. Diese Komponenten können allgemein
als Pigmente, Bindemittel und Additive, fast immer als wässrige Dispersionen,
klassifiziert werden. Gebräuchliche
Pigmente umfassen Ton, Kalziumkarbonat (CaCO3),
Bariumsulfat und Titandioxid (TiO2). Bariumsulfat
und Titandioxid werden nur für Fotopapiere
bzw. Spezialpapiere verwendet. Im Allgemeinen war Ton das gebräuchlichste
Pigment, obwohl CaCO3 und PCC (ausgefälltes Kalziumkarbonat)
gebräuchlicher
werden. Für
Bindemittel werden gewöhnlich
verschiedene Latexrezepturen verwendet, um die Pigmentpartikel zusammenzuhalten
und sie an das Papier zu binden. Eine typische Beschichtungsrezeptur
enthält
80% bis 90% Pigment und 3% bis 10% Latex, wobei der Rest aus Additiven
und anderen Komponenten besteht.
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Solche
Beschichtungen wie oben beschrieben können als Teil des Papierherstellungsprozesses in
einer Papierfabrik aufgebracht werden. Papierherstellungs- und Beschichtungstechniken
sind in der Technik bekannt und sind zum Beispiel beschrieben in
Pulp and Paper Manufacture, Vol. III (Papermaking & Paperboard Making),
R. MacDonald, Ed., 1970, McGraw Hill, und Handbook for Pulp & Pater Technologists,
G. A. Smook, 2nd Ed., 1992, Angus Wilde Publications. Alternativ
kann vorher hergestelltes Papier der Beschichtungsmaschine, "Beschichter" genannt, von großen Papierblattrollen
zugeführt
werden. In jedem Fall wird das unbeschichtete Papier dem Beschichter
gewöhnlich
in Blättern
zugeführt,
die in der Größenordnung
10 Fuß oder
mehr Breite haben, gemessen entlang der "Querrichtung" (d. h. der Richtung quer zur Bewegungsrichtung
des Papiers entlang der Papierherstellungs- und/oder Beschichtungsmaschine.
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Aus
verschiedenen Gründen
ist häufig Gleichförmigkeit
des "Basisgewichts" der Beschichtung
(d. h. der Masse des Beschichtungsmaterials auf einer Einheitsfläche des
Blatts) nötig
oder wünschenswert.
Zum Beispiel kann die Bedruckbarkeit von Glanzpapier durch das gleichförmige Aufbringen einer
Glanzbeschichtung verbessert werden. Außerdem können Glanzbeschichtungen relativ
teure Materialien wie z. B. Latex und/oder TiO2 enthalten. Dementsprechend
wird der Hersteller das Beschichten präzise überwachen und das Aufbringen
so einer Beschichtung steuern wollen, um eine möglichst gleichmäßige Beschichtung
aufzubringen. In manchen Fällen
muss die Gleichmäßigkeit
der Beschichtung innerhalb eines Bruchteils von Gramm/m2 gesteuert
werden. Wegen der seitlichen Ausdehnung des Blatts in der Querrichtung
(10 Fuß oder
mehr) und dem Erfordernis, eine Beschichtung genau und gleichmäßig auf
solche Blätter
aufzubringen, hat man jedoch ziemlich komplizierte Beschichter konstruiert und
hergestellt.
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Beschichter
kommen in mannigfachen Auslegungen daher. Ein Typ von Beschichter, "Rakelbeschichter" genannt, enthält eine
rotierende Stütztrommel,
die einer Seite eines sich bewegenden Papierblatts benachbart angeordnet
ist, und eine flexible Rakel, die der entgegengesetzten Seite des
Blatts benachbart angeordnet ist. Die Trommel und Rakel erstrecken
sich in der Querrichtung des Blatts, um einen engen Schlitz auszubilden,
durch den das Blatt Papier hindurchläuft. Zwischen der Stütztrommel
und der Rakel wird ein Bad aus Beschichtungsmaterial gestaut und
beschichtet somit das Blatt, wenn es dazwischen hindurchläuft. Die
Rakel drückt
gegen das Papier mit der aufge brachten Beschichtung, wenn das Blatt
durch den Schlitz austritt, wodurch überschüssige Beschichtung entfernt
wird.
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Man
erkennt, dass der Abstand der Trommel von der Rakelkante ein kritischer
Faktor beim Aufbringen solcher Beschichtungen ist. Die Trommel wird
mit hohen Toleranzen hergestellt und installiert. Zur Steuerung
der Dicke der auf ein Blatt aufgebrachten Beschichtung stellen Beschichter
Betätigungselemente
zum Justieren des Drucks der Rakelkante gegen das beschichtete Blatt
und/oder der Position der Rakelkante relativ zur Trommel bereit.
Die Rakel besteht gewöhnlich
aus einem dünnen
Stahlglied, das geringfügig
gekrümmt
oder gebogen werden kann. Daher werden Betätigungselemente in Abständen entlang
der Länge
der Rakel installiert, derart, dass jedes Betätigungselement den in der Nähe des Betätigungselements
von der Rakel ausgeübten Druck
und daher die Menge des Beschichtungsmaterials auf dem Basisblatt
steuert. Die Länge
in Querrichtung der Rakel in der Nähe jedes Betätigungselements
ist als "Stück" bekannt. Das gemeinsam übertragene
US-Patent Nr. 4,732,776 offenbart einen Beschichter mit solchen
Beschichtungsrakel-Betätigungselementen.
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Lokale
Schwankungen von Rakeldruck und Papierdicke und mögliche andere
Faktoren, die nicht kompensiert werden, erzeugen tendenziell ungleichmäßige Beschichtungen.
Daher erkennt man aus dem Vorhergehenden, dass für den Papierhersteller auch
die Fähigkeit
wichtig ist, die Menge des Beschichtungsmaterials auf dem beschichteten
Blatt zu messen und auf Basis solcher Messungen den Druck der Rakel
gegen das Blatt an einer Vielzahl von Stückpositionen in Querrichtung
während
der Beschichtungsprozedur zu steuern.
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Es
hat zahlreiche Schemata gegeben, die Menge der auf ein Blatt aufgebrachten
Beschichtung zu messen und zu steuern. Einer der schwierigsten Aspekte
des Beschichtungssteuerungsprozesses ist es, eine genaue Messung
der Menge der auf ein Blatt aufgebrachten Beschichtung zu erhalten,
insbesondere wenn die Beschichtungsmengen mit einer Genauigkeit
von Bruchteilen von Gramm/m2 gemessen werden
müssen.
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In
einem solchen Schema sind ein Blattbasisgewichtssensor und ein Blattfeuchtigkeitssensor stromaufwärts im Papierherstellungsprozess
vor dem Beschichter angeordnet. Der Basisgewichtssensor misst die
Gesamtmaterialmenge im Blatt in Form der Masse pro Einheitsoberfläche. Daher
umfasst das gemessene Basisgewicht sowohl Papierfasern als auch
von den Fasern absorbierte Feuchtigkeit. Bekannte Basisgewichtssensoren
verwenden die Transmission von Betastrahlen durch das Blatt, um das
Basisgewicht so eines Blatts zu bestimmen. Der Feuchtigkeitsgehalt
des Blatts kann zum Beispiel durch bekannte Infrarot-Feuchtigkeitssensoren
bestimmt werden, die ähnlich
den Feuchtigkeitsgehalt des Blatts in Form der Masse von Wasser
pro Einheitsoberfläche
des Blatts bestimmen. Zusätzliche Basisgewichts-
und Feuchtigkeitssensoren werden dann an einer Stelle stromabwärts des
Beschichters nach dem Beschichtungsprozess positioniert.
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Die
Menge der das Blatt ausbildenden Faser kann bestimmt werden, indem
die Feuchtigkeitsmenge vom Basisgewicht des unbeschichteten Blatts subtrahiert
wird. Ähnlich
kann durch Subtrahieren des Feuchtigkeitsgehalts des beschichteten
Blatts vom Basisgewicht des beschichteten Blatts die vereinte Menge
von Beschichtungsmaterial und Papierfaser bestimmt werden. Schließlich wird
durch Subtrahieren der Fasermenge im unbeschichteten Blatt von der
Messung des vereinten Beschichtungs- und Faserbasisgewichts im beschichteten
Blatt das Basisgewicht der auf das Blatt aufgebrachten Beschichtung
bestimmt. Auf Basis dieser Messungen des Beschichtungsbasisgewichts
an jedem Stück
quer über die
Breite des Blatts kann der System-Prozesssteuerungscomputer dann
solche Messungen mit einem vorbestimmten Soll-Beschichtungsbasisgewichtswert
vergleichen und Signale entwickeln, um die Beschichtungsrakel-Betätigungselemente
an jedem Stück
zu steuern, um das Soll-Beschichtungsbasisgewicht quer über die
gesamte Breite des Blatts zu erzielen.
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Leider
ist das oben beschriebene Verfahren nicht voll befriedigend, da
es vier relativ kostspielige Sensoren erfordert (d. h. einen Feuchtigkeits-
und Basisgewichtssensor, die dem unbeschichteten Blatt benachbart
angeordnet sind, und zusätzliche
Feuchtigkeits- und
Basisgewichtssensoren, die dem beschichteten Teil des Blatts benachbart
angeordnet sind), um das Basisgewicht des Beschichtungsmaterials
zu bestimmen. Überdies
kann sich der der Messung jedes dieser vier Sensoren innewohnende
Fehler durch die zur Bestimmung des Beschichtungsgewichts notwendigen
mathematischen Berechnungen additiv fortpflanzen, was in einer weniger
als idealen Messung des Beschichtungsbasisgewichts resultiert.
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Ein
anderes Schema zum Messen der auf ein Blatt aufgebrachten Menge
von Beschichtungsmaterial erfordert die Bestrahlung des beschichteten Blatts
mit energiereichen Röntgenstrahlen.
Solche energiereichen Röntgenstrahlen
regen die Atome in dem beschichten Blattmaterial an, so dass solche Atome
fluoreszieren. Die fluoreszierenden Atome emittieren Röntgenstrahlen
mit für
die Elemente in der Beschichtung eindeutigen Wellenlängen. Indem er
somit einen Röntgenstrahlsensor
auf eine oder mehrere für
die Elemente im Beschichtungsmaterial eindeutige charakteristische
Wellenlängen
abstimmt, kann der Papierhersteller die Menge des Beschichtungsmaterials
durch die Intensität
der Fluoreszenz bei den charakteristischen Wellenlängen ableiten.
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Leider
ist die Fluoreszenztechnik in vielen Fällen auch nicht voll befriedigend.
Zum Beispiel emittieren die fluoreszierenden Atome nur energiearme
Röntgenstrahlen,
so dass diese Technik ein relativ niedriges Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt.
Daher müssen
relativ lange Zeitdauern verstreichen, ehe ein statistisch signifikantes
Signal vom Röntgenstrahldetektor
gesammelt werden kann. Überdies sind
die energiereichen anregenden Röntgenstrahlen
und die aus der Fluoreszenz des beschichteten Blatts resultierenden
Röntgenstrahlen
für das
Personal der Papierfabrik gefährlich.
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Bei
noch einer anderen Technik werden Teile des Blatts mit Röntgenstrahlen
bestrahlt und wird die Intensität
der durch das Blatt transmittierten Röntgenstrahlen erfasst. Jedoch
werden Röntgenstrahlen von
dem häufig
im Papierblatt verwendeten Mineralfüllstoffmaterial, den Holzzellstofffasern
und der Feuchtigkeit im Blatt absorbiert. Da die Transmission von
Röntgenstrahlen
durch das Blatt nicht nur für
das Beschichtungsmaterial empfänglich
ist, müssen dementsprechend
Sensoren vor und hinter dem Beschichter positioniert werden und
muss die Differenz der Transmission der Röntgenstrahlen durch die beschichteten
und unbeschichteten Teile des Blatts bestimmt und mit der auf das
Blatt aufgebrachten Menge des Beschichtungsmaterials in Verbindung
gebracht werden. Auch diese Technik leidet jedoch an der Unzulänglichkeit,
dass mehrere relativ kostspielige Röntgenstrahlquellen und -sensoren
benötigt
werden und der Fehler, der den durch jeden Sensor vorgenommenen
Messungen innewohnt, additiv zu dem Fehler in der bestimmten Beschichtungsmenge
beitragen kann, und die Verwendung von Röntgenstrahlen ist natürlich für das Personal
der Papierfabrik potentiell gefährlich.
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Das
gemeinsam übertragene
US-Patent Nr. 4,957,770 offenbart einen Sensor und ein Verfahren zum
Bestimmen des Basisgewichts eines Beschichtungsmaterials durch Messen
von Strahlung aus dem Beschichtungsmaterial. Der Sensor misst die
Latexkonzentration im Beschichtungsmaterial.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 und in den
abhängigen
Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung ist auf berührungslose Online-Messungen
des Papierbeschichtungsgewichts für CaCO3 enthaltende
Beschichtungen gerichtet. Die Erfindung basiert zum Teil auf der
Entdeckung, dass der Infrarotbereich zwischen 3,6 bis 4,2 Mikrometer
im Wesentlichen frei von Störungen
von Wasser, Latex, Ton und anderen Beschichtungspigmenten und Papierfüllstoffen
her ist, was hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Messungen des Papierbeschichtungsgewichts
ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren, die die Menge eines Beschichtungsmaterials auf einem
Substrat mittels Messungen der von dem Substrat reflektierten Strahlung
oder der Transmission von Strahlung durch das Substrat in mindestens
zwei getrennten Wellenlängenbereichen
des elektromagnetischen Spektrums bestimmen können. Die Vorrichtung und das
Verfahren sind in erster Linie, aber nicht ausschließlich, für Online-Beschichtungsmessungen
eines sich bewegenden Papierblatts mittels Infrarotstrahlung bestimmt.
Dementsprechend wird die vorliegende Erfindung der Einfachheit halber
im Kontext der Papierherstellung beschrieben. Jedoch kann das Substrat
selbstverständlich
auch anderes Material als Papier sein, wie z. B. Kunststoff, und
das Substrat muss auch nicht in Blattform vorliegen.
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Bei
der Papierherstellung kann der Infrarotbeschichtungssensor der vorliegenden
Erfindung in der Querrichtung eines sich bewegenden beschichteten
Blatts hin und her gescannt werden, wodurch eine Messung des Basisgewichts
der Beschichtung auf dem Basisblatt an verschiedenen Positionen
entlang der Länge
und Breite des Blatts ermöglicht
wird. Der Sensor ist dazu ausgelegt, die Beschichtungsmessung im
Hinblick auf die Wirkungen von Änderungen
in Basisgewicht und Feuchtigkeitsgehalt des Basisblatts auf Infrarottransmission
durch ein Blatt oder Remission von dem Blatt zu kompensieren. Daher
bleibt die Messung des Beschichtungsbasisgewichts sehr genau, wenn
der Sensor quer über
das sich bewegende Blatt gescannt wird, selbst wenn das Basisgewicht
des Basisblatts oder sein Feuchtigkeitsgehalt quer über die
Breite und Länge
des Blatts ungleichmäßig sind.
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Der
Infrarotbeschichtungssensor der vorliegenden Erfindung enthält eine
Infrarotstrahlungsquelle. Von dieser Infrarotquelle wird ein Strahl
von Infrarotstrahlung in Richtung auf das sich bewegende Blatt transmittiert.
Wenn der Strahl das Blatt erreicht, läuft er zuerst durch das Beschichtungsmaterial
hindurch und dann in das Papierbasisblatt hinein. Ein Teil dieser
Infrarotenergie wird durch das Blatt transmittiert oder von dem
Blatt absorbiert. Außerdem
wird etwas von der Infrarotenergie nach Eintritt in das Basisblatt
in die allgemeine Richtung der Infrarotquelle zurück reflektiert.
Der Infrarotstrahl enthält
einen weiten Bereich von Wellenlängen.
Jedoch wird Infrarotstrahlung mit bestimmten Wellenlängen von
der Beschichtung und/oder dem Basisblatt selbst bevorzugt absorbiert.
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Der
Beschichtungssensor umfasst auch einen Infrarotempfängerteil.
Dieser Empfängerteil
kann auf der der Infrarotquelle entgegengesetzten Seite des Blatts
positioniert sein und dadurch die Intensität des transmittierten Infrarotstrahls
messen. Alternativ kann der Infrarotempfängerteil auf der gleichen Seite des
Blatts wie die Infrarotquelle positioniert sein, um dadurch die
Intensität
des reflektierten Teils des Strahls zu messen. In jedem Fall enthält der Empfängerteil
einen Strahlteiler, mindestens zwei Infrarotdetektoren und ein Infrarot-Bandpassfilter
in Verbindung mit jedem Detektor. Der Strahlteiler lenkt einen Teil
des Infrarotstrahls in Richtung auf jeden der zwei oder mehr Detektoren.
Vor jedem Detektor ist ein getrenntes Infrarot-Bandpassfilter positioniert.
Auf diese Weise misst jeder der Infrarotdetektoren die Intensität nur des
Teils des Infrarotstrahlspektrums, der in den Bandpass des zugehörigen Filters
fällt.
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Eines
der zwei Infrarot-Bandpassfilter lässt nur Infrarotstrahlung mit
Wellenlängen
in einem ausgewählten
Bereich des Infrarotspektrums durch, wobei der Infrarotstrahl von
dem darunter liegenden Basispapierblatt absorbiert oder gestreut
wird, aber nur sehr schwach von dem Beschichtungsmaterial absorbiert
wird. Dieser erste Bereich des Spektrums wird "Referenzbereich" genannt, und der zugehörige Detektor
wird "Referenzdetektor" genannt. Das Ausgangssignal
des Referenzdetektor hängt
daher in erster Linie von Absorption oder Streuung durch das Basisblatt
ab. Zum Beispiel, wenn die erfasste Infrarotenergie von einer Seite
des Blatts zur anderen durch das Blatt transmittiert worden ist,
hängt der
Absorptionsbetrag vom Basisgewicht des Basispapierblatts ab. Und
selbst wenn der Empfängerteil
und die Infrarotquelle auf der gleichen Seite des Blatts positioniert
sind, so dass der Empfängerteil
nur reflektierte Infrarotstrahlung empfängt, ist das Ausgangssignal des
Referenzdetektors noch für Änderungen
im Basisgewicht des Blatts empfindlich. Dies liegt daran, dass die
Infrarotstrahlung nur teilweise an der Oberfläche des Basisblatts reflektiert
wird. Viel von der Infrarotstrahlung dringt in das Blatt ein, wobei
der reflektierte Anteil des Gesamtstrahls größer wird, wenn er tiefer in
das Blatt eindringt und/oder mehr Blattmaterial begegnet. Bleibt
alles Übrige
konstant, reflektiert somit ein Blatt mit höherem Basisgewicht mehr Infrarotenergie
als ein Blatt mit niedrigerem Basisgewicht. Bei einem Blatt mit
niedrigerem Basisgewicht wird mehr von der Infrarotenergie durch
das Blatt transmittiert.
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Ein
zweites Bandpassfilter gehört
zu dem zweiten Infrarotdetektor und lässt nur Wellenlängen in
einem Bereich des Infrarotspektrums durch, die von CaCO3 im
Beschichtung stark absorbiert werden. Dieser zweite Bereich des
Spektrums, "Messbereich" genannt, wird außerdem so
gewählt,
dass die mittlere Absorption von Infrarotstrahlung in diesem Bereich durch
das Basisblatt der mittleren Absorption durch das Basisblatt der
Infrarotstrahlung im Referenzbereich äquivalent ist. Dementsprechend
werden die Mess- und Referenz-Bandpassfilter so gewählt, dass ihre
Durchlassbereiche Bereichen des Infrarotspektrums entsprechen, die
von dem darunter liegenden Basispapierblatt in gleichem Maße absorbiert
werden. Der zum "Messbereich" des Spektrums gehörende Detektor
wird "Messdetektor" genannt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Verhältnis
(oder die Differenz) der Ausgangssignale der Referenz- und Messdetektoren
bestimmt. Da, wie vorher erwähnt,
Strahlung mit Wellenlängen
in den Durchlassbereichen der Mess- und der Referenz-Bandpassfilter von
dem Basispapierblatt gleichermaßen
absorbiert werden, gibt das Verhältnis (oder
die Differenz) der Signale von den Mess- und Referenzdetektoren
die Menge der ausgewählten Komponente
in der Beschichtung an. Da im Normalfall die ausgewählte Komponente
in einem bekannten, festen Verhältnis
in die Beschichtungsrezeptur gemischt ist, kann die bestimmte Menge
der ausgewählten
Komponente mit einer entsprechenden Menge Beschichtungsmaterial
korreliert werden. Und da die Absorption der Mess- und Referenzwellenlängen durch
das Blatt gleich oder "ausge glichen" ist, ist das Verhältnis der
Signale (oder die Differenz zwischen den Signalen) von den Mess-
und Referenzdetektoren unabhängig
vom Basisgewicht des Basisblatts.
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Signale
von einem Beschichtungssensor können
an einen Prozesssteuerungscomputer gesendet werden, der die oben
beschriebenen mathematischen Berechnungen durchführt, um eine Messung der Beschichtungsmenge
auf dem Blatt zu liefern. Der Computer vergleicht die Messung mit
einer vorher eingegebenen Soll-Beschichtungsmenge. Der Computer
erzeugt dann ein Steuersignal, das benutzt werden kann, um Beschichtungsrakelsteuerungs-Betätigungselemente
und damit die an jeder Position in Querrichtung aufgebrachte Beschichtungsmenge
zu regeln. Sollten während
der Beschichtungsprozedur Bedingungen auftauchen, die eine Justierung
der Beschichterrakel an irgendeiner Position in Querrichtung erfordern,
um die aufgebrachte Beschichtung auf der vorgewählten Menge zu halten, kann
so eine Justierung automatisch vorgenommen werden, indem die passenden
Signale vom Prozesssteuerungscomputer an ein oder mehrere Rakelbetätigungselemente
gesendet werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist unter Verwendung eines einzelnen,
sicheren und sehr genauen Beschichtungssensors ein hohes Maß an Gleichförmigkeit
in Dicke und/oder Basisgewicht der auf ein Papierblatt aufgebrachten
Beschichtung erreichbar.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1a ist
eine vereinfachte schematische Perspektivansicht eines Papierbeschichtungsbetriebs
unter Verwendung eines Scan-Reflexions-Infrarot-Beschichtungssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1b ist
eine vergrößerte Ansicht
des unbeschichteten Teils des Blatts von 1a;
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1c ist
eine vergrößerte Ansicht
des beschichteten Teils des Blatts von 1a;
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2 ist
eine vereinfachte schematische Querschnittsansicht einer Detektorbaugruppe,
die den Reflexions-Infrarot-Beschichtungssensor von 1a enthält;
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3 zeigt
ein Infrarot-Absorptionsspektrum für die CaCO3-Komponente
eines typi schen Blattbeschichtungsmaterials;
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4 bis 6 sind
Kalibrierungskurven für einen
CaCO3-Sensor gegen das Beschichtungsgewicht;
und
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7 ist
ein Graph zum Vergleich von Online- und Labormessungen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1a zeigt
ein Papierblatt-Beschichtungssystem 10. Wie in dieser Figur
gezeigt, wird ein unbeschichtetes Blatt Papier 12 durch
einen Vorrat von Beschichtungsmaterial 14 gezogen, der
zwischen einer Stützwalze 16 und
einer Rakel 18 enthalten ist. Zwischen der Walze 16 und
der benachbarten Kante der Rakel 22 ist ein Austrittsschlitz 20 für das Blatt 12 ausgebildet,
so dass die Dicke der Beschichtung auf dem Papier 12 unmittelbar
nachdem es aus dem Schlitz 20 ausgetreten ist durch den
Abstand und Druck zwischen der Rakelkante 22 und der Walze 16 festgelegt
wird.
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An
der Rakel 18 sind in festen Abständen Betätigungselemente 26 montiert,
die die Biegung der Rakel 18 in der Nähe jedes Betätigungselements 26 steuern,
so dass das Beschichtungsmaterial auf dem Blatt 24 fortschreitend
dünner
bzw. dicker gemacht wird, wenn die Betätigungselemente 26 die Rakel 18 in
Richtung auf die Walze 16 und davon weg bewegen. Die Betätigungselemente 26 liegen vorzugsweise
in Abständen
von 3 oder 6 Inch (76,2 oder 152,4 mm) voneinander entlang der Rakel 18. Wie
vorher erwähnt,
wird jeder 3- oder 6-Inch-Abstand in der Umgebung jedes Betätigungselements 26 "Stück" genannt.
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Nach
Austritt des Blatts 12 aus dem Beschichtungsdicke-Steuerschlitz 20 läuft das
beschichtete Blatt 12 über
eine Anzahl von beheizten Trommeln 30, welche die Beschichtung 24 trocknen. Das
getrocknete beschichtete Blatt 12 läuft dann unter einem Reflexions-Infrarot-Beschichtungsgewichtssensor 32 durch,
der weiter unten detaillierter beschrieben wird.
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Der
Sensor 32 wird quer über
die Breite des Blatts 12, in Richtung der Pfeile 18,
in einer Scanbewegung hin und her getrieben, so dass er die vom Blatt 12 reflektierte Infrarotstrahlungsmenge
an verschiedenen Stückpositionen
quer über
die Breite und Länge
des sich bewegenden Blatts 12 messen kann.
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Signale
vom Sensor 32 werden dann über eine Signalverarbeitungsschaltung 35 an
den System-Prozesssteuerungscomputer 34 gesendet, in dem
die Signale zeitlich demultiplexiert werden, so dass diese Sensorsignale
mit bestimmten Stückpositionen
quer über
die Breite des Blatts 12 in Verbindung gebracht werden
können.
Wie auch weiter unten beschrieben, führt der Computer 34 dann
auf Basis dieser Signale verschiedene Berechnungen durch, um das
Basisgewicht der Beschichtung 24 an jedem Stück zu bestimmen.
Der Computer 34 vergleicht das gemessene Beschichtungsbasisgewicht für jedes
Stück mit
einem vorbestimmten Sollwert und weist die Betätigungselement-Steuerung 36 an, Steuersignale
zu entwickeln, welche die Betätigungselemente 26 dazu
bringen, die Rakel 18 an jeder Stückposition wie erforderlich
zu biegen, um das Soll-Beschichtungsbasisgewicht für jedes
Stück zu erzeugen.
Das Sollziel ist gewöhnlich
ein gleichmäßiges Beschichtungsbasisgewicht.
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Der
Infrarot-Beschichtungsgewichtssensor 32 von 1 ist in 2 detaillierter
gezeigt. Dieser Sensor 32 wird benutzt, um die Menge des
auf das Basispapierblatt 12 aufgebrachten Beschichtungsmaterials 24 zu
messen, und kompensiert die Messung automatisch im Hinblick auf
die Auswirkung von Infrarotabsorption durch das Blatt 12 als
Folge von Änderungen
in Basisgewicht und Feuchtigkeitsgehalt des Blatts 12.
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Der
Sensor 32 ist Teil einer Detektorbaugruppe 88,
die eine Wolfram-Halogen-Quelle 50 von Dauerstrichstrahlung
in sichtbaren und infraroten Bereichen und eine Detektorbaugruppe
aus sechs Infrarotdetektoren enthält, die in einem temperaturgeregelten
Gehäuse
untergebracht sind. Die breitbandige Infrarotquellenenergie 50 ist
unter einem Winkel auf das Blatt 12 gerichtet, der die
Empfindlichkeit für Blattflattern
und Oberflächeneigenschaften
möglichst klein
macht. Die Betriebsart mit diffuser Reflexion wird bevorzugt. Der
Winkel bewegt sich typischerweise von ungefähr 10° bis ungefähr 25° von der Senkrechten. Die Detektorbaugruppe
enthält
einen CaCO3-Sensor, Tonsensor und Feuchtigkeitssensor. Der
CaCO3-Sensor enthält einen CaCO3-Mess-Filter/Detektor 32A und
einen CaCO3-Referenz-Filter/Detektor 32B.
Der Tonsensor enthält
einen Ton-Mess-Filter/Detektor 51A und
einen Ton-Referenz-Filter/Detektor 51B. Der Feuchtigkeitssensor enthält einen
Feuchtigkeits-Mess-Filter/Detektor 52A und einen Feuchtig keits-Referenz-Filter/Detektor 52B.
Die vom Blatt reflektierte Energie wird wellenlängenanalysiert, indem der Strahl
durch die Strahlteiler 55, 56, 57 und
die passenden Filter zu den individuellen Detektoren geführt wird.
Diese Auslegung des Lichtanalysators mit den Strahlteilern, Filtern
und Detektoren stellt sicher, dass alle Detektorsignale vom selben
Ort auf dem Blatt herrühren,
so dass in jedem gegebenen Zeitpunkt sämtliche für genaue Messung erforderlichen
Informationen zur Verfügung
stehen.
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Präzise und
genaue Messungen mittels des CaCO3-Sensors
basieren teilweise auf der Korrelation der CaCO3-Konzentration
mit der Intensitätsabsorption
von CaCO3 ungefähr im 4-μm-Bereich. Für Messung von CaCO3 bewegt
sich die bevorzugte Mittenwellenlänge für die Durchlassbereiche der
Mess- und Referenz-Bandpassfilter von ungefähr 3,9 μm bis 4,1 μm bzw. ungefähr 3,6 μm bis 3,85 μm. Die Bandbreite für jedes
dieser Filter ist vorzugsweise ungefähr 0,15 μm, kann aber ggf. breiter oder
schmaler sein, um die gewünschte
Signalstärke
und -balance an den Detektoren erzielen zu können. Das Verhältnis der
Detektorausgangssignale der Mess- und Referenzkanäle ist proportional
zum Papierbeschichtungs-Gewichtswert.
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Der
CaCO3-Sensor ist vorzugsweise als Vierkanal-Sensor
oder Sechskanal-Sensor ausgelegt. Die eher bevorzugte Auslegung,
wie in 2 gezeigt, ist der Sechskanal-Sensor, der CaCO3,
Ton und Feuchtigkeit misst. Eine bevorzugte Vierkanal-Version misst
CaCO3 und Ton. Die Detektorbaugruppe enthält weiterhin
einen konventionellen Infrarotenergiemodulator 60, der
zum Beispiel einen Drehlichtzerhacker aufweist, der zum Beispiel
mit 170 Hz arbeitet und einen hohen Pegel von Infrarotenergiemodulation
liefert. Der Lichtzerhacker ist vorzugsweise als hohles Viereckprisma
ausgelegt, das von zwei entgegengesetzten Seiten her offen ist. Wenn
er sich dreht, hält
der Lichtzerhacker die volle Breite des Strahls mit 25 mm Durchmesser
vom Parabolreflektor der Quelle auf. Dies erlaubt die Verwendung
einer Wolfram-Halogen-Quelle mit niedriger Wattzahl, was eine lange,
stabile Leuchtenlebensdauer sicherstellt. Die geringe Glühfadengröße wiederum
stellt sicher, dass die Fleckgröße (die
auf dem Blatt gemessene Fläche)
klein ist, ungefähr
20 mm Durchmesser. Der CaCO3-Sensor verwendet
bevorzugt einen internen optischen (reflektierenden) Standard, der
völlig
unabhängig
ist, weshalb der Sensor das Blatt nicht stört und nicht vom Blatt weg
bewegt werden muss, um eine Standardisierung durchzuführen.
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Der
Infrarotenergiemodulator 60 moduliert die Menge der Infrarotstrahlung,
die von der Infrarotquelle 50 auf das Blatt trifft, mit
einer bekannten Frequenz. Somit ist auch das Ausgangssignal jedes
Infrarotdetektors mit der gleichen bekannten Frequenz wie der einfallende
Infrarotstrahl 62 moduliert. Und da die Detektorausgangssignale
direkt von dem reflektierten Teil 63 des modulierten einfallenden Strahls 62 abhängen, hängt die
Phase der Detektorausgangssignale von der Phase des modulierten Strahls 62 ab.
Infrarotenergie, die von dem Basispapierblatt 12, der Beschichtung
auf dem Blatt 24 und anderen externen Quellen (nicht gezeigt)
ausgeht, erreicht jedoch ebenfalls alle Detektoren. Daher enthält jedes
Detektorsignal sowohl eine Wechselstrom- als auch eine Gleichstromkomponente.
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Das
Ausgangssignal jedes der Detektoren (sowohl Mess- als auch Referenzdetektor)
wird an die Signalverarbeitungsschaltung 35 (1a)
gesendet. Diese Schaltung ist dafür eingerichtet, die Gleichstromkomponente
der Detektorsignale auszufiltern. Die gefilterten Wechselstrom-Detektorsignale werden
dann an eine Phasensynchrondemodulationsschaltung weitergeleitet,
die in der Signalverarbeitungsschaltung 35 enthalten ist.
Der Zweck des Phasensynchrondemodulators ist es, Änderungen
in den Detektorsignalen auszufiltern, die nicht durch die sich verändernde
Infrarotabsorption des Basisblatts 12 oder des auf das
Basisblatt 12 aufgebrachten Beschichtungsmaterials 24 verursacht
sind.
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Hinsichtlich
des CaCO3-Sensors gibt die mittlere Amplitude
der demodulierten Signale von jedem Detektor 32A und 32B die
Menge der von verschiedenen Teilen des beschichteten Blatts reflektierten
Infrarotstrahlung innerhalb der Durchlassbereiche der zu dem jeweiligen
Detektor gehörenden
Filter an. Die demodulierten und amplitudengemittelten Detektorsignale
werden dann durch die Signalverarbeitungsschaltung gemessen, digitalisiert
und dem Prozesssteuerungscomputer 34 zugeführt. Der
Computer 34 berechnet das Basisgewicht des Beschichtungsmaterials 24 auf
dem Basisblatt 12 unter Verwendung der weiter unten vollständiger beschriebenen
Gleichungen und Techniken.
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3 zeigt
das Infrarot-Absorptionsspektrum für CaCO3 und
die Durchlassbereiche für
das zugehörige
Referenzfilter 6 bzw. Messfilter 7 mit den Referenz-
und Mess-Infrarotdetektoren für
den CaCO3-Sensor. Die Referenz- und Messfilter
werden so gewählt, dass
die mittlere Absorption von Infrarotstrahlung durch das Basispapierblatt 12 in
ihren jeweiligen Durchlassbereichen gleich oder so gleich wie möglich ist.
Auf diese Weise werden die von den Referenz- und Messdetektoren
für ein
unbeschichtetes Blatt 12 erzeugten Signale gleich (oder
nahezu gleich) sein. Der Durchlassbereich des Messdetektor-Filters
wird so gewählt,
dass er in einen starken Absorptionsgipfel (oder ein Transmissionsminimum) für CaCO3 fällt.
Bei einem beschichteten Blatt gibt daher das Ausgangssignal des
Messdetektors die sowohl durch das Basispapierblatt als auch die CaCO3-Komponente des Beschichtungsmaterials verursachte
Infrarotabsorption an.
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Auch
auf seinem Absorptionsgipfel absorbiert CaCO3 in
typischen Konzentrationen Infrarotstrahlung jedoch nur sehr schwach.
Dementsprechend ist der der CaCO3-Beschichtungskomponente zuzuschreibende
Signalbetrag vom Messdetektor 32A so niedrig, dass der
Messdetektor selbst praktisch nicht verwendet werden kann, um die
Menge an CaCO3 zu bestimmen, auf die der
reflektierte Infrarotstrahl 63 getroffen ist. Er wäre von durch
Veränderungen
in anderen Komponenten des Blatts verursachte Signaländerungen
ununterscheidbar. Trotzdem ergibt bei der vorliegenden Erfindung,
da der Messdetektor 32A und der Referenzdetektor 32B für das darunter
liegende Basisblatt 12 gleich empfindlich sind, das Verhältnis der
Größe des Referenzsignals
zur Größe des Messsignals
ein Signal mit guter Empfindlichkeit für den CaCO3-Gehalt
im Beschichtungsmaterial. Ähnlich
liefert die Größendifferenz
der Referenz- und Messsignale eine Angabe des CaCO3-Gehalts
im Beschichtungsmaterial. Und da die Referenz- und Messsignale den gleichen Haupt-Fehlerquellen
ausgesetzt sind (z. B. Grundänderungen
im Blattbasisgewicht, Feuchtigkeitsgehalt und Staub im Lichtweg),
liefert das Verhältnis
oder die Differenz zwischen den Mess- und Referenzsignalen eine
sehr genaue Angabe des über
dem Basispapierblatt liegenden des CaCO3,
selbst wenn die oben erörterte phasensynchronisierte
Demodulationsfiltertechnik nicht verwendet wird.
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Beim
Einrichten des Beschichtungsgewichtssensors 32 ist es wichtig,
die Absorption von Infrarotstrahlung durch das Basisblatt 12 in
den Mess- und Referenz-Durchlassbereichen "auszugleichen" oder gleich zu machen. Bekannte Filter
mit infraroten Durchlassbereich werden hergestellt, indem ein Substrat
mit einer Reihe von dielektrischen Beschichtungen beschichtet wird.
Die Dicken der dielektrischen Beschichtungen bestimmen die Mitte
des Durchlassbereichs für
das Filter. Indem daher die Dicken der dielektrischen Filme verändert werden,
können
Filter hergestellt werden, die einen Durchlassbereich in irgendeinem
gewünschten
Bereich des Infrarotspektrums haben.
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Die
Signale von den Referenz- und Messdetektoren können verwendet werden, um das
Basisgewicht in Übereinstimmung
mit der folgenden Formel mathematisch zu berechnen: BWC =
A(IMES – IREF) (1)
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Darin
sind:
BWC = das Basisgewicht des Beschichtungsmaterials
auf dem Basisblatt;
IMES = der Wert
des Ausgangssignals des Messdetektors;
IREF =
der Wert des Ausgangssignals des Referenzdetektors; und
A eine
Konstante, die empirisch bestimmt wird und die verschiedenen Detektorausgangssignale
mit dem Beschichtungsbasisgewicht in Verbindung bringt. Der Wert
der Konstante kann durch bekannte Kurvenanpassungstechniken bestimmt
werden. Die Werte von IMES, IREF sind
dem Reflexionsvermögen der
Infrarotstrahlung durch das beschichtete Blatt in den Mess- bzw.
Referenz-Durchlassbereichen proportional.
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Gleichung
(1) stützt
sich auf die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Referenz-
und Messdetektoren, um das Basisgewicht des Beschichtungsmaterials
zu bestimmen. Mann kann aber auch das Beschichtungsbasisgewicht
mittels der Verhältnisse
dieser beiden Signale bestimmen: BWC =
C((IMES/IREF) – 1)
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C
ist eine empirisch bestimmte Konstante, die die verschiedenen Detektorausgangssignale
mit dem Beschichtungsbasisgewicht in Verbindung bringt.
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Zu
dem Beschichtungsgewichtssensor 32 kann ein Computer (nicht
gezeigt) gehören,
der nur dazu bestimmt ist, die Basisgewichtsberechnungen für jedes
Stück durchzuführen. Viele
moderne Papierfabriken sind jedoch hoch automatisiert und enthalten
einen Prozesssteuerungscomputer 34 (1a). In
diesen Fabriken werden die vom Infrarot-Beschichtungssensor 32 der
vorliegenden Erfindung erzeugten Signale bevorzugt über die
Signalverarbeitungsschaltung 35 dem Prozesssteuerungscomputer 34 der
Fabrik zugeführt,
zur Berechnung der Menge des auf das Blatt 12 aufgebrachten
Beschichtungsmaterials an jedem Stückort in Querrichtung. Auf
Basis dieser Berechnungen kann dann der Prozesssteuerungscomputer 34 die
Betätigungselement-Steuerung 36 anweisen,
Signale zu entwickeln, um die an jedem Schlitz entlang der Rakel 18 montierten
Beschichtungssteuerungs-Rakelbetätigungselemente 26 selektiv
zu aktivieren, die Menge des auf das Basisblatt 12 aufgebrachten
Beschichtungsmaterials an jedem Ort in Querrichtung selektiv zu ändern.
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Andererseits
kann es vorkommen, dass CaCO3 auch in das
Basisblatt eingebaut ist. In dieser Situation wird ein sekundärer Infrarotsensor 23,
der dem oben beschriebenen primären
Infrarotsensor 32 ähnlich
oder gleich ist, an einem Ort im Papierbeschichtungsprozess vor
dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials 14 auf das Basisblatt
positioniert. Dieser sekundäre
Sensor wird dem unbeschichteten Basisblatt benachbart angeordnet
und verwendet, um die Menge an CaCO3 im
Basisblatt auf genau die gleiche Weise zu messen wie oben für den primären Sensor
beschrieben. In dieser Situation empfängt der Prozesssteuerungscomputer 34 Signale
vom sekundären
Sensor, berechnet die Menge des in das Basisblatt eingebauten CaCO3 und subtrahiert diese CaCO3-Messung
von der CaCO3-Messung als das Resultat der
Signale, die dem Computer 43 vom primären Beschichtungssensor 32 zugeführt werden. Die
aus dieser Subtraktion resultierende Differenz gibt die Menge des
CaCO3 in dem auf das recycelte Basispapierblatt
aufgebrachten Beschichtungsmaterials an. Auf eine mit der vorher
beschriebenen ähnliche
Weise wird dann eine Beschichtungssteuerung durchgeführt.
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Schließlich, wie
vorher erwähnt,
wird CaCO3 gewöhnlich als ein Pigment im Beschichtungsmaterial
verwendet, das eine Anzahl von anderen chemischen Komponenten wie
z. B. Latex, Farbstoffe, Füllstoffe
usw. enthalten kann. Diese Komponenten sind in genauen, bekannten
und vorbestimmten Anteilen mit der CaCO3-Komponente
des Beschichtungsmaterials zusammengemischt. Indem daher die Menge der über einem
Blatt liegenden CaCO3-Komponente bestimmt
wird, kann der System-Prozesssteuerungscomputer auch die Gesamtmenge
der gesamten Beschichtungsmaterialmischung auf dem Blatt aus den bekannten
Anteilen der anderen Komponenten des Beschichtungsmaterials zu der
CaCO3-Komponente bestimmen.
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Die
Feuchtigkeits- und Tonsensoren arbeiten im Wesentlichen auf die
gleiche Weise wie der CaCO3-Sensor. Für den Feuchtigkeitssensor
bewegt sich die bevorzugte Mittenwellenlänge für die Durchlassbereiche der
Mess- und Referenz-Bandpassfilter von ungefähr 1,89 μm bis 1,95 μm bzw. 1,70 μm bis 1,86 μm. Für den Tonsensor bewegt sich
die bevorzugte Mittenwellenlänge
für die
Durchlassbereiche der Mess- und Referenz-Bandpassfilter von ungefähr 2,20 μm bis 2,25 μm bzw. 2,08 μm bis 2,30 μm.
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EXPERIMENTE
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Der
in 2 gezeigte CaCO3-Sensor
wurde in einer Kartonfabrik getestet. Ein 3,977-μm-Filter wurde
für den
Messkanal verwendet, und ein 3,800-μm- oder 3,700-μm-Filter
wurde für
den Referenzkanal verwendet. Vor dem Einbau wurden wässrige CaCO3-Proben hergestellt, und die Beschichtungsgewichte
der Proben wurden mit dem Sensor in einem Labor zu Kalibrierung
gemessen. 6 zeigt die Beziehung des Sensorsignals
zum Beschichtungsgewicht für
Proben, die hohe Prozentsätze (zwischen
85 und 90 Gewichtsprozent) CaCO3 und keinen
Ton enthielten. 4 zeigt Resultate für Proben
mit ungefähr
17 Prozent CaCO3, wobei der Rest der Feststoffe
Ton ist. 5 zeigt Resultate für Proben
mit ungefähr
33 Prozent CaCO3, wobei der Rest Ton ist.
Die lineare Beziehung der Linien durch die auf den Graphen gezeigten
Punkte ist die Basis für die
Sensorkalibrierung. 7 zeigt die Korrelation zwischen
Online-Messungen mit der erfinderischen Vorrichtung und Labormessungen.