DE69909186T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Eigenschaften einer Zusamenstellung oder einer ihrer Komponente zur Benutzung bei der Behandlung einer Papier- oder Kartonbahn - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und überdies eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.
• Die im Folgenden betroffenen Verfahren und Vorrichtungen können zum Bestimmen der Eigenschaften von Mischzusammensetzungen und deren Bestandteilen verwendet werden, wie sie in dem Verarbeitungsverfahren einer Papier- bzw. Kartonagenbahn verwendet werden. Derartige Mischungen sind beispielsweise Füllstoff-Mischungen, Streichmischungen in der Form von Pasten und Pigment-Aufschlämmungen und konzentrierte Pigment-Aufschlämmungen zur Verwendung in der Zubereitung einer Streichmischung. Die aus der einer Messung unterzogenen Mischverbindung zu bestimmenden Eigenschaften sind beispielsweise die Temperatur, die Dichte, der Feststoffgehalt (FG), der Gehalt an freien Gasen, der Gehalt an gelösten Gasen, die Viskosität, die Scherbeanspruchung und die Elastizitätsgrenze. Ebenso können andere Qualitätseigenschaften bezüglich der Rheologie der Mischung Gegenstand einer Messung sein.
• In einer Streichmischung haben deren Viskositäts-, Feststoffgehalt- und Gasgehalteigenschaften eine primäre Bedeutung. Im Allgemeinen ist der Gasgehalt als der Luftgehalt bekannt, weil das in der Streichmischung mitgenommene Gas hauptsächlich Luft ist. Die aus den Messungen erhaltene Information kann beispielsweise zur Steuerung eines Beschichtungsverfahrens oder zur Herstellung einer Streichmischung verwendet werden. Die darin zu steuernden Parameter sind beispielsweise die der Streichmischung hinzuzufügende Menge einer Verdünnungslösung, die Zusammensetzung der Streichmischung oder der Wirkungsgrad der verwendeten Luft-Abfiihrvorrichtung.
• Die Eigenschaften der Streichmischung spiegeln sich in der Qualität der letztendlichen Beschichtung wieder. Beispielsweise hat die Viskosität der Streichmischung einen Einfluss auf den gesamten Beschichtungsprozess. Da die Viskosität der Streichmischung die Fließeigenschaften der Beschichtung im Inneren der Auftragvorrichtung bestimmt, ist dadurch auch offensichtlich die Arbeitsweise der Streichvorrichtung selbst beeinflusst. Die Viskosität der Streichmischung trägt ebenso zur Dicke und zur letztendlichen Qualität der aufgetragenen Beschichtung bei. Selbst relativ geringfügige Veränderungen in der Zusammensetzung der Streichmischung können sich in der Streichmischungs-Viskosität und folglich in der letztendlichen Beschichtungsqualität widerspiegeln. Die Viskosität der Streichmischung ihrerseits kann durch Verändern der verhältnismäßigen Anteile und durch eine Auswahl der Bestandteile gesteuert werden, die in der Streichmischungs-Formel verwendet werden.
• Auch der Gasgehalt der aufgetragenen Streichmischung beeinflusst die erhältliche Beschichtungsqualität. Zusätzlich zu einer Erzeugung einer Schaumbildung in den Behältern der Streichmischung erhöht ein übermäßig hoher Gasgehalt die Qualitätsabnahme. Um derartige Probleme zu vermeiden, sind Maschinenkreisläufe von Streichanlagen im Allgemeinen mit Hilfen wie beispielsweise zentrifugalen Luftverdrängereinheiten vervollständigt oder es werden alternativ Antischaum-Chemiezusätze verwendet. Für eine wirksame Steuerung einer Gasfreigabe sollte das System mit einer Gasgehalt-Analyseeinheit ausgerüstet sein.
• Im Stand der Technik sind die Eigenschaften einer Streichmischung bestimmt worden, indem zunächst eine Probenentnahme einer aufzutragenden Streichmischung vollzogen wird und diese Proben dann in einem Labor untersucht werden. Dieser Lösungsweg ist durch Einbeziehen einer derart langen Verzögerung zwischen dem Moment der Probenentnahme und dem Auswerten der Laborergebnisse nachteilig, so dass sich die Online-Eigenschaften der Streichmischung während der Verzögerung bereits verändert haben. Wenn Proben aus dem Maschinenkreislauf einer Streichstation entnommen werden, tritt erfahrungsgemäß eine weitere Schwierigkeit hinsichtlich der Freigabe des mitgenommenen Gases aus der Probe in die Umgebung vor der Vermessung der Probe auf. Auch hinsichtlich anderer Aspekte hat dieser Typ einer sog. „Offline"-Technik keine praktische Verwendung in dem Versuch gefunden, die kurzweiligen Variationen der Eigenschaften der Streichmischung zu reduzieren. Verfahren einer Offline-Messung und die Charakteristiken von Streich-Mischformeln sind beispielsweise in einer Veröffentlichung beschrieben, die von I. Roitto, T. Järvensuu und J. Koskinen verfasst ist: „The Significance of Deaeration in the Coating Process", PTS Streicherei Symposium 97.
• In dieser Veröffentlichung ist auch vorgeschlagen, dass die Dichte einer Streichmischung durch einen „Online"-Typ einer Messung unter Verwendung eines Messinstruments zur Messung der Mengenflussrate gemessen werden kann. Wenn eine derartige Messung bei zwei verschiedenen, auf geeignete Weise ausgewählten Drücken ausgeführt wird, kann auch der Gasgehalt der Streichmischung bestimmt werden.
• Des Weiteren ist in einer Veröffentlichung von R. Rauch, R. Sangl, H.-H. Hofer und J. Weigl: „Gase in Streichfarben – Auswirkungen auf Lauf- und Qualitätseigenschaften", PTS Streicherei Symposium 97, ein Online-Verfahren zum Messen des Gasgehaltes einer Streichmischung beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf einem Durchführen einer Probe der Streichmischung von dem Maschinenkreislauf der Streichanlage über eine Rohrleitung in eine Messkammer, in der Temperatur- und Drucksensoren vorhanden sind. Die Messkammer ist auch mit einem Schrittschaltmotor und einem zum Einstellen des Innenvolumens der Messkammer geeigneten Kolben versehen. Als ein zusätzliches Merkmal kann das Innenvolumen der Kammer aus der Position des Schrittschaltmotors bestimmt werden. Nach dem Messen des Drucks und der Temperatur der Streichmischung unter Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Volumina der Messkammer, kann der Gasgehalt der Streichmischung aus bekannten physikalischen Formeln berechnet werden. Nach der Messung kann die vermessene Probe in den Maschinenkreislauf zurückgeführt und die Messkammer entleert werden.
• Ebenso ist die Online-Messung der Viskosität einer Streichmischung im Stand der Technik bekannt. Eine Mehrzahl verschiedener Techniken zu Messung der Viskosität sind im Stand der Technik aufgezeigt worden. Im Hinblick auf eine Streichmischung ist eine insbesondere vorteilhafte Technik einer Viskositätsmessung das Kapillar-Messverfahren. Dieses Verfahren basiert auf dem Führen der Streichmischungs-Strömung über ein Kapillarröhrchen, wobei dann die Viskosität aus dem Druckverlust über das Kapillarröhrchen berechnet wird, der zum Beispiel mit Hilfe eines Differentialdruck-Messwertwandlers gemessen werden kann.
• Ein Nachteil in herkömmlichen Techniken besteht darin, dass für eine multivariable Beurteilung der Eigenschaften einer Streichmischung eine Mehrzahl von separaten Messausrüstungen an dem Maschinenkreislauf angeschlossen sein muss. Das bedeutet eine schwerfällige Anordnung, in der die Messdaten und die Genauigkeit der Ergebnisse schwierig zu kontrollieren sind. Ein derartiges System kann es auch erforderlich machen, dass dieselben Parameter mehrere Male in Verbindung mit separaten Messungen gemessen werden müssen. Ein weiteres Problem bei der Verwendung separater Messvorrichtungen liegt darin, dass sich die Zusammensetzung der einer Messung unterliegenden Streichmischung von einem Messpunkt zum anderen verändern kann. Letztendlich ist zu beachten, dass ein Online-Verfahren für die Messung eines Gehalts an Trockenfeststoffen in einer Streichmischung im Stand der Technik nicht aufgezeigt ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Probleme zu lösen und einen vollständig neuen Verfahrenstyp und Vorrichtungstyp zum Messen der Eigenschaften einer Streichmischung vorzusehen.
• Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, indem ein Anteil der zu vermessenden Streichmischung abseits von dem Maschinenkreislauf einer Streichanlage an ein Streichmischungs-Zubereitungssystem oder an eine ähnliche Einrichtung geführt wird, um so einen kontinuierlichen Bypass-Probenstrom oder eine Abfolge diskreter Proben zu erhalten. Der Bypass-Probenstrom oder die diskreten Proben werden in eine Rohrleitung gegeben und von da an Messvorrichtungen geführt, die eine Messung der zur Bestimmung von zumindest der Dichte, der Viskosität, des Trockenfeststoff-Gehalts und des Gasgehalts der Streichmischung erforderlichen Variablen ermöglichen. Gemäß der Erfindung werden zumindest die Viskosität und der Feststoffgehalt der Streichmischung auf der Basis der gemessenen Variablen bestimmt. Überdies sind gemäß der Erfindung die erforderlichen Messvorrichtungen an einer gemeinsamen Steuereinheit angeschlossen.
• Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegt ist. Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 9 dargelegt ist.
• Die Erfindung schafft bedeutende Nutzen.
• Die Erfindung macht es möglich, die Viskosität, den Trockenfeststoff-Gehalt und den Gasgehalt einer Zusammensetzung unter Verwendung eines integrierten Systems zu bestimmen, das an dem Maschinenkreislauf der Zusammensetzung durch einen einzelnen Satz einer Einlass-/Auslass-Anschlussverbindung angeschlossen ist.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist durch ein weiteres Merkmal gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mess-Sensoren gegenüber der in herkömmlichen Messtechniken erforderlichen Anzahl reduziert ist, die auf der Verwendung separater Messvorrichtungen basieren. Der Grund liegt darin, dass das gemeinsame Steuersystem die Verwendung zuvor gemessener Streichparameter bei der Bestimmung von Werten für bestimmte andere Variablen erleichtert, wobei der Bedarf zur separaten Messung von beispielsweise dem Druck und der Temperatur in jeder Messvorrichtung wegfällt. Somit bietet die Erfindung eine kostengünstige Lösung, um eine höhere Messgenauigkeit zu erhalten.
• Wird die Erfindung unter Verwendung einer Viskosemessung ausgeführt, die auf einem Kapillarröhrchen basiert, bietet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen weiteren Nutzen, indem die zur Bestimmung einiger Variablen erforderlichen Druckmesswerte zum Setzen des Messbereiches des Differentialdruckgebers des Viskosimeters auf einen geeigneten Bereich verwendet werden können.
• Im Folgenden wird die Erfindung in größerem Detail mit Bezug auf Beispiele und die beigefügte Zeichnung untersucht.
• Die Zeichnung zeigt ein Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Bei der in dem Diagramm dargestellten Ausführungsform ist die Messvorrichtung an eine Papier- oder Kartonage-Streichanlage angeschlossen, in der die Bahnbehandlungszusammensetzung eine Streichmischung ist. Die in der exemplarischen Ausführungsform beschriebene Vorrichtung und das Verfahren können jedoch ebenso zur Messung anderer Zusammensetzungen mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden, wie beispielsweise für Pigment-Aufschlämmungen.
• In dem Diagramm ist eine Hauptleitung 1 des Maschinenkreislaufes gezeigt, entlang der eine Streichmischung oder eine Pigment-Aufschlämmung zu den Auftrageinheiten der Streichanlage geführt wird. An der Leitung 1 ist eine Probeneinlassleitung 2 angeschlossen, um eine Streichmischprobe in die Messvorrichtung zu führen. Die Probeneinlassleitung 2 ist mit Ventilen 3 versehen, mit denen nach Wunsch der Strom der Streichmischprobe in die Messvorrichtung unterbrochen werden kann. An der Leitung 1 ist auch eine Probenauslassleitung 4 angeschlossen, entlang der die Streichmischprobe zurück in die Leitung 1 geführt werden kann. Die Probenauslassleitung 4 ist in entsprechender Weise mit Ventilen 5 versehen, mit denen nach Wunsch die Auslassleitung unterbrochen werden kann.
• Die eigentliche Messvorrichtung weist eine Probenleitung 6 auf, entlang der die Abfolge der Streichmischproben oder der kontinuierliche Bypass-Probenstrom, die/der von der Probeneinlassleitung 2 eintreten/eintrttt, durch die Messvonichtung an die Probenauslassleitung 4 durchgeführt wird. An der Probenleitung 6 ist eine Pumpe 7 angeordnet, die durch einen geschwindigkeitsvariablen Elektromotor 8 angetrieben wird. Der Elektromotor 8 wird seinerseits durch eine Antriebs-/Steuereinrichtung 9 angesteuert. In der Probenleitung 6 ist nachfolgend der Pumpe 7 ein Temperatursensor 10 angeordnet, der zur Messung der Temperatur der Streichmischprobe dient. Der Temperatursensor 10 ist an einem Temperatur-Messwertgeber 11 angeschlossen. Nachfolgend dem Temperatursensor 10 ist die Probenleitung 6 mit einem ersten Drucksensor 12 mit einem daran angeschlossenen Druck-Messwertgeber 13 versehen, der zur Messung des Drucks der Probe an dem Drucksensor 12 dient.
• Nachfolgend sind in der Probenleitung 6 ein Dichte-Messwertgeber und ein Messwertgeber einer Mengen- oder Volumenströmungsrate angeordnet, die in der Darstellung als ein integrales Instrument dargestellt sind. Die Vorrichtung hat hierin einen Tranducer-Kopf 14 und eine Messeinheit 15 zur Messung der Dichte und Massen- oder Volumenströmungsrate. Entlang der Probenleitung 6 ist nachfolgend nach dem Transducer-Kopf 14 ein zweiter Drucksensor-Signalgeber 16 angeordnet, der zum Messen des in der Streichmischprobe vorherrschenden Drucks nach dem kombinierten Dichte- und Strömungsraten-Messwertgeber geeignet ist. Der zweite Drucksensor-Signalgeber 16 ist an einer Mess/Steuervorrichtune 17 angeschlossen. Nachfolgend dem Drucksensor-Signalgeber 16 ist die Leitung mit einem Viskosimeter versehen. In dem Diagramm ist die Viskositätsmessung als Ausführung unter Verwendung des Kapillarverfahrens gezeigt, in dem der Viskosimeter ein Kapillarröhrchen 18, einen Differenzialdruck-Messwertgeber 19 und Messdüsen 20 aufweist, die nahe der ersten und zweiten Enden des Kapillarröhrchens 18 angeordnet sind, um Messsignale an den Differentialdruck-Messwertgeber 19 aufgrund der Innendrücke der Streichmischung an den jeweiligen ersten und zweiten Enden des Kapillarröhrchens 18 zu liefern. Nachfolgend dem Viskosimeter ist die Probenleitung 6 überdies mit einem Steuerventil 21 versehen, das zum Einstellen des Strömungswiderstands der Streichmischung und dadurch des Innendrucks in der Probenleitung 6 geeignet ist. Das Steuerventil 21 ist durch eine Mess-/Steuervorrichtung 17 gesteuert, die den Druck der Probenleitung 6 mit Hilfe des Drucksensors 16 überwacht. Andere in dem Diagramm dargestellte Komponenten sind Entwässerungsventile 22, die an der Probenleitung 6 und dem Vorrichtungsrahmen geeignet angeschlossen sind.
• Die Messvorrichtung enthält auch ein Steuerungs- und Computersystem, das in dem Diagramm nicht gezeigt ist. Das Steuerungs- und Computersystem ist beispielsweise mittels Kabeln an zumindest die elektrische Stromzufuhr und die Steuereinrichtung 9 des Elektromotors 8, einen Temperatur-Messwertgeber 11, einen Druck-Messwertgeber 13, eine Kombinations-Messeinheit 15 für die Dichte und die Massen- oder Volumenströmungsrate, eine Mess-/Steuervorrichtung 17 und einen Differentialdruck-Messwertgeber 19 angeschlossen. Die Funktion des Steuerungs- und Computersystems liegt in der Steuerung der oben aufgelisteten Instrumente und/oder zum Einholen von Informationen von diesen, und basierend darauf, um die gewünschten Eigenschaften der einer Messung unterliegenden Streichmischung zu berechnen. Die Ausführung dieser Funktionen wird später im Text in größerem Detail beschrieben. Eine weitere Funktion des Steuerungs- und Computersystems liegt in der Bereitstellung einer Kommunikations-Einrichtung zwischen der Messvorrichtung und deren Arbeitsumgebung. Zu diesem Zweck kann das Steuerungsund Computersystem mit beispielsweise einer Tastatur, Schaltern, einer Anzeige und/oder einer Computerschnittstelle ergänzt sein.
• Die Leitung 1, von der die diskreten Proben oder ein kontinuierlicher Probenstrom entnommen wird, kann im Prinzip irgendeine Rohrleitung oder ein Behälter sein, die bzw. der mit einem für eine Messung geeigneten Material gefüllt ist. Um die Eigenschaften einer zum Auftragen auf eine Papier- oder Kartonagenschicht zu verwendenden Streichmischung zu messen, ist die Probeneinlassleitung 2 vorteilhafterweise nachfolgend der Luft-Abfiihrvorrichtung an der Hauptdurchführleitung angeschlossen, mit der die Streichmischung an die Streichanlage geführt wird. Daher ist es ebenso möglich, den endgültigen Wert des Luftgehalts der Streichmischung vor einem Auftragen genau zu messen. Gleichermaßen ist die Auslassleitung 4 vorteilhafterweise an der Hauptdurchführleitung 1 angeschlossen, wobei die durch die Messvorrichtung geführte Streichmischung zur Verwendung einer Beschichtung zurück gewonnen werden kann. Die Probenauslassleitung 4 ist vorteilhafterweise nachfolgend der Anschlussverbindung der Probeneinlassleitung 2 an dem Strom der Zuführleitung 1 angeschlossen. Die Probeneinlassleitung 2 und die Probenauslassleitung 4 selbst können beispielsweise aus einem Hochdruckschlauch gefertigt sein. Die Probenleitung 6 selbst kann beispielsweise aus einem Metallrohr mit einem Innendurchmesser von ca. 5-25 mm gefertigt sein.
• Die Pumpe 7, der Elektromotor 8 und dessen elektrische Stromzufuhr und Steuereinrichtung 9 müssen derart gewählt sein, dass die Strömungsrate und der Druck der Streichmischung für jede Messsituation auf geeignete Werte gesetzt werden können, indem die Geschwindigkeit der Pumpe 7 eingestellt wird. Das Setzen des Drucks kann auch mit Hilfe eines Einstellens des Strömungswiderstandes mit Hilfe des Steuerventils 21 ausgeführt werden. Zum Messen des Luftgehalts in der Streichmischung muss der Innendruck der Probenleitung an dem Transducer-Kopf 14 der Dichte-Messeinheit 15 eingestellt werden, um ihn wechselweise zwischen einem ausreichend geringen und einem ausreichend hohen Wert einstellen zu können. Der für eine Messung der Dichte der Streichmischung, die Luftblasen enthält, verwendete untere Druck kann beispielsweise auf ca. 0,5-3 bar gesetzt sein. Der höhere Druck muss diesbezüglich ausreichend hoch gesetzt sein, um eine essentielle Auflösung und Kompression der in der Streichmischung enthaltenen Luft zu verursachen, so dass die luftfreie Dichte der Streichmischung gemessen werden kann. Der erforderliche Druck hängt von der Fähigkeit der Streichmischung ab, Luft oder ein anderes in der Mischung enthaltenes Gas zu lösen, wie auch von der Menge an in der Mischung mitgenommener Luft oder Gas. Eine genauere Beschreibung der Wirkung von Luftblasen auf die Messung ist in einer wissenschaftlichen Abhandlung von M. Mäkinen „Metering Density, Dry Solids and Air Content of Coating in Supply Systems", 1996 International Paper and Coating Chemistry Symposium, Ottawa, 11.-13.06.1996 gegeben, in der die Messung einer Dichte einer Streichzusammensetzung bei zwei Druckniveaus beschrieben ist. Als eine Richtschnur kann erwähnt werden, dass der obere Druck ca. 10-30 bar betragen kann und vorzugsweise niemals kleiner als 6 bar ist. Die Strömungsraten der in der Messung verwendeten Streichmischung liegen typischerweise in dem Bereich 0-20 l/min. Andere typische Richtwerte, die den Probenstrom an dem Viskosimeter kennzeichnen, sind beispielsweise eine Streichmischungs-Scherbeanspruchung von 1-10000 l/s, eine Reynolds-Zahl in dem Bereich 0-3000 und eine Dean's-Zahl in dem Bereich 0-30.
• Der Temperatursensor 10 und der Temperatur-Messwertgeber 11 sind so ausgewählt, dass die Temperatur der Streichmischprobe mit einer ausreichenden Genauigkeit gemessen werden kann. Der erforderliche Messbereich muss den typischen Temperaturbereich einer Streichmischung abdecken, der typischerweise bei ca. 10-80°C liegt. Die Probentemperatur ist für die Berechnungen der Trockenfeststoffe erforderlich, um den tatsächlichen Wert der Wasserdichte und in einigen Fällen auch die tatsächliche Dichte der Feststoffe in der Probe während ihrer Dichtemessung zu bestimmen.
• Der erste und der zweite Drucksensor 12, 16 genauso wie der Druck-Messwertgeber 13 und die daran angeschlossene Mess-/Steuervorrichtung 17 müssen jeweils zum Messen des Innendrucks der Streichmischprobe geeignet sein. Die gemessenen Druckwerte werden zur Bestimmung des Innendrucks verwendet, der in der in dem Dichte-Messwertgeber enthaltenen Streichmischprobe vorherrscht. Andererseits wird der Innendruck des Dichte-Messwertgebers zur Berechnung des Luft- oder Gasgehalts der Streichmischprobe verwendet. Ganz offensichtlich wird der dadurch erhaltene Druckwert auch in der Steuerung der Pumpe 7 und dem Steuerventil 21 verwendet. Der von den Drucksensoren 12, 16 erforderliche Arbeitsdruckbereich beträgt typischerweise 0,1-30 bar.
• Der Dichte-Messwertgeber und der Messwertgeber der Massen- oder Volumenströmung können als separate Instrumente unter Verwendung eines jeglichen Typs einer herkömmlichen Vorrichtung ausgeführt sein. Alternativ kann ein kombiniertes Instrument verwendet sein, das beide der gewünschten Variablen messen kann. Die Dichtemessung kann beispielsweise unter Verwendung eines Verfahrens ausgeführt sein, das auf der Messung des hydrostatischen Drucks an zwei verschiedenen Höhen einer Säule einer Streichmischung basiert, die in einem Vertikalrohr platziert wird. Überdies kann die Dichtemessung durch Verfahren ausgeführt sein, die auf der Verwendung einer Mikrowellen- oder radioaktiven Strahlung basieren. Die Messung einer Volumenstromrate kann beispielsweise unter Verwendung eines magnetischen Durchflussmengenreglers ausgeführt sein. Eine insbesondere vorteilhafte Messtechnik ist die Messung der Coriolis-Wirkung einer Massenströmung, mit der sowohl die Messung der Massenströmungsrate und der Dichte kombiniert werden kann. In einem auf der Coriolis-Wirkung basierenden Instrument weist der Messkopf 14 mindestens eine rohrförmige Strömungsleitung und eine Vorrichtung auf die dazu geeignet ist, jedes Strömungsrohr bei seiner Resonanzfrequenz in Schwingung zu versetzten. Der Messkopf enthält auch Messfühler, die zum Messen der Ablenkung des Strömungsrohrs bestimmt sind. Während der Messung wird das zu vermessende Material durch das Strömungsrohr geführt, wobei das in dem Rohr enthaltende Material Kräfte aufzeigt, die der Vibration des Rohres entgegengerichtet sind. Diese Kräfte lenken das Strömungsrohr oder die -rohre ab, welche Ablenkung mit Hilfe der Messfühler gemessen werden kann. Das die Ablenkung aufzeigende Fühlersignal wird an eine Messeinheit 15 des Coriolis-Durchflussreglers gegeben, wobei die Massenströmungsrate entsprechend der Amplitude der Ablenkung berechnet wird. Dementsprechend kann die Dichte des in dem Strömungsrohr enthaltenen Materials mit guter Genauigkeit aus der Resonanzfrequenz des mit dem Material gefüllten, vibrierenden Strömungsrohrs und aus dem Innenvolumen des vibrierenden Strömungsrohrs bestimmt werden. Diese Messtechnik basiert auf der Tatsache, dass die Masse des das Strömungsrohr füllenden Materials die Resonanzfrequenz des Strömungsrohrs beeinflusst. Die Dichten der zu vermessenden Streichmischungen variieren typischerweise in dem Bereich 900-2000 kg/m³, wobei der Durchflussmengenregler beispielsweise unter Verwendung von Massenströmungsraten in der Größenordnung von 0-5 kg/s arbeiten kann.
• Die Dichtemessungen für die zu vermessende Streichmischung zur Berechnung eines Gasgehalts in Verbindung mit einem Durchflussmengenregler unter Anwendung einer Coriolis-Wirkung können beispielsweise auf die folgende Weise ausgeführt sein:
• – Eine Streichmischung wird über das Strömungsrohr des Messkopfs 14 mit Hilfe des Antriebs der Pumpe 7 mit einer derartigen Geschwindigkeit und durch eine Steuerung des Steuerventils 21 in eine derartige Position geführt, dass der Streichmischungsdruck in dem Strömungsrohr bei ca. 2-3 bar liegt. Der Innendruck in dem Strömungsrohr wird beispielsweise aus den Drucksignalen des ersten und zweiten Druck-Transducers 12, 16 als deren Hauptwert bestimmt. Bei Bedarf kann ein geeigneter Kalibrierfaktor einbezogen sein. Auf diese Weise wird der Druckverlust des Strömungsrohrs ausgeglichen, der in dem Bereich 0,1-2 bar liegen kann. Der so erhaltene Messwert ist die Dichte ρ₁ bei einem Innendruck P₁.
• – Nachfolgend werden zunächst die Pumpe 7 und das Steuerventil 21 gesteuert, so dass der Innendruck in dem Strömungsrohr auf ca. 6-10 bar ansteigt, wonach die Dichte ρ₂ bei einem Innendruck P₂ gemessen wird. Liegt ein Grund vor, anzunehmen, dass das Volumen an Gasblasen in der Streichmischung nicht vernachlässigt werden kann, muss ein höherer Druck verwendet werden.
• – Der Gasgehalt I₁ der Streichmischung wird bei diesem niedrigeren Druck P₁ unter Verwendung der Annahme berechnet, dass das Volumen der enthaltenen Gasblasen bei dem höheren Druck P₂ vernachlässigbar ist. Nun wird der Gasgehalt I₁ aus der Gleichung berechnet:

  

  
  
• – Davon ausgehend kann der Gasgehalt I_i der gemessenen Streichmischprobe unter Atmosphärendruck P_i aus der Formel berechnet werden:

  

  
  Der Feststoffgehalt FG kann seinerseits aus der Dichte ρ_trocken der trockenen Feststoffe der Streichmischung mit Hilfe der im Wesentlichen gasblasenfreien Dichte ρ₂ der bei dem höheren Druck gemessenen Mischung und aus der Dichte ρ_Wasser von Wasser unter Verwendung der Formel bestimmt werden:

  

  
  Bei der Bestimmung der in Gleichung 3 erforderlichen Dichte-Werte muss darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass die in den Formeln verwendeten Werte ρ_trocken, ρ₂ und ρ_Wasser ausreichend genau sind, um die tatsächlichen Dichten bei derselben Temperatur wiederzugeben. Die Dichten können beispielsweise auf die folgende Weise bestimmt werden:
• – Die Streichmischungs-Dichte ρ₂ wird gemessen und gleichzeitig wird die Temperatur von T_FG aufgenommen, die in dem Messmoment von dem Temperatur-Messwertgeber 11 erhalten wird.
• – Die Wasserdichte ρ_wasser wird bei der aufgenommenen Streichmisch-Temperatur T_FG aus beispielsweise einer Tabelle oder einer in dem Steuerungs- und Computersystem gespeicherten Formel erhalten.
• – Die Dichte ρ_trocken der Trockenfeststoffe wird beispielsweise durch Berechnung aus den Bestandteildichten der Mischung bestimmt. Diese Berechnung muss nicht notwendiger Weise in der Messvorrichtung ausgeführt werden, wobei ρ_trocken typischerweise eher in einem separaten System berechnet und dann in die Messvorrichtung eingegeben wird. Wenn der Temperaturkoeffizient der Expansion der Trockenfeststoffe sehr klein ist, kann die Messtemperatur des Dichtewerts ρ₂ in der Bestimmung der Dichte der trockenen Feststoffe ρ_trocken vernachlässigt werden.
• Die Viskosität kann in einer Vielzahl von verschiedenen Techniken gemessen werden. Im Stand der Technik wurde die Viskosität von Streichmischungen unter Verwendung von beispielsweise Verfahren gemessen, die auf der Bewegung oder dem Strömungswiderstand von geeignet geformten Körpern in der Strömung der Streichmischung basieren. Die Viskosität kann ebenso durch Führen der Streichmischung in eine geeignet geformte Leitung und nachfolgendem Messen des Druckabfalls der durch die Leitung strömenden Streichmischung gemessen werden. Ein derartiges Verfahren, das insbesondere zum Messen der Viskosität einer Streichmischung gut geeignet ist, ist das sog.
• Kapillarröhrchenverfahren. In diesem Verfahren wird die Streichmischung durch die Bohrung eines geraden Kapillanöhrchens 18 mit konstantem Querschnitt geführt, wobei der Druckabfall an Messpunkten 20 gemessen wird, die in dem Kapillarröhrchen 18 in einem gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet sind. Das Kapillarröhrchenverfahren wird insbesondere zur Viskositätsmessung von Streichmischungen und deren Bestandteilen bevorzugt, weil dieses Verfahren die Notwendigkeit jeglicher materialspezifischer Kalibrier-Koeffizienten eliminiert, da es allein auf den Vorrichtungskonstanten basiert. Derartige Kalibrierungs-Koeffizienten würden eine wesentliche Ungenauigkeit in der Messung verursachen, da Streichmischungen beispielsweise typischerweise keine Newton'schen Fluide sind.
• Die Probenviskosität kann aus den Messergebnissen in der folgenden Weise bestimmt werden: - Die Scherrate γ wird aus der Formel berechnet:

  

  
  wobei V die Volumenrate der in das Kapillanöhrchen 18 eingeführten Streichmischung und r der Bohrungsradius des Kapillanöhrchens 18 ist. Wenn die Strömungsrate V nicht direkt gemessen wird, kann sie durch Dividieren der gemessenen Massenströmungsrate durch die gemessene Dichte berechnet werden.
• - Die Scherbeanspruchung τ wird aus der Formel berechnet:

  

  
  wobei Δp der über die Messpunkte des Kapillaröhrchens 18 gemessene Differentialdruck und ΔL der Abstand zwischen den Messpunkten des Differentialdrucks ist.
• - Die Viskosität η wird aus der Formel berechnet:

  

  
  Folglich umfasst eine vorteilhafte Viskosimeterkonstruktion ein Kapillarröhrchen 18, _einen Differentialdruck-Messwertgeber 19 und an das Kapillanöhrchen 18 nahe seinem ersten und zweiten Ende angeschlossene Messdüsen 20. Die Länge des hierin verwendeten Kapillanöhrchens kann beispielsweise von 30 cm bis 10 m sein, wobei der Bohrungsquerschnitt der Strömungsleitung in dem Bereich von ca. 5-25 mm liegen kann. Der Druckabfall über diese Art eines Kapillarröhrchens 18 kann typischerweise zum Beispiel von 0,01 bar bis 4 bar liegen. Der Absolutdruck in dem Kapillarröhrchen 18 kann jedoch wesentlich höher sein. Ein geeigneter Messwertbereich für den Differentialdruck-Messwertgeber 19 kann beispielsweise 0-30 bar sein. Da die Messwertauflösung eines Differentialdruck-Messwertgebers im Allgemeinen durch die Breite des hierin verwendeten Messwertbereichs vorgegeben ist, wird der Messwertbereich vorteilhafterweise so eng wie möglich gemacht. Andererseits ergeben sich Schwierigkeiten bei der Begrenzung des Messbereichs aufgrund der breiten Variationen der in den Messungen auftretenden Druckdifferenzen.
• Die Messgenauigkeit eines Differentialdruck-Messwertgebers kann wesentlich verbessert werden, indem in der Messbereichs-Steuerung des Differentialdruck-Messwertgebers 19 die Information verwendet wird, die von dem Druck-Messwertgeber 13 und der Mess/Steuervorrichtung 17 auf den Druckabfall über den Messkopf 14 der kombinierten Messeinheit 15 aus Dichte und Massen-Volumenströmungsrate erhalten wird. Nach einer Bestimmung des Verhältnisses zwischen den Druckabfällen über dem Messkopf 14 und dem Kapillarröhrchen 18 kann der Messbereich des Differentialdruck-Messwertgebers 19 so gesetzt werden, um im Wesentlichen den geschätzten Bereich zu überdecken, der aus dem über dem Messkopf 14 gemessenen Differentialdruck berechnet wird. Die Verbindung zwischen den Differentialdrücken über dem Messkopf 14 und dem Kapillanöhrchen 18 kann beispielsweise mittels experimenteller Mittel bestimmt werden, die für jede Vorrichtungskonstruktion individuell sind. Alternativ kann ein geeignetes Theoriemodell angewendet werden oder des Weiteren kann die Probenleitung 6 mit einem in der Strömungsrichtung nachfolgend dem Kapillarröhrchen 18 angeordneten zusätzlichen Druck-Messwertgeber versehen sein, wobei der Vergleich dieser Druck-Messwertgeber-Auslese mit derjenigen des Druck-Messwertgebers 16 eine Schätzung für den tatsächlichen Differentialdruck über dem Kapillarröhrchen 18 gibt. Diese Art einer Anordnung macht es möglich, den von dem Differenzialdruck-Messwertgeber 19 erforderlichen Messbereich zu begrenzen, um so dem Messbereich mit dem tatsächlichen erforderlichen Bereich einer Druckdifferenz zu entsprechen. In der oben beschriebenen Weise kann die Genauigkeit de_r Viskositätsmessung bis auf das 10-fache gegenüber konventionellen Techniken verbessert sein.
• Die in dem Diagramm dargestellte Anordnung einer Messeinheit ist für die oben beschriebene Auswahl von Messvoirichtungen vorteilhaft. Die vorgeschlagene Maßnahme mit der Kombination eines Dichte-Massenströmungsraten-Messwertgebers, der vor dem Kapillarröhrchen-Viskosimeter angeordnet ist, hat den Nutzen, dass ein höherer Messdruck aus der Dichtemessung mit einem geringeren Pumpenauslassdruck erzeugt werden kann. Gleichzeitig verbleibt der Druck in dem Kapillarröhrchen geringer. Diese Maßnahme und dieser Typ einer Messungseinrichtung ist jedoch nicht auf die Anwendung der Erfindung begrenzt, da demgegenüber eine andersartige Anordnung von Messinstrumenten ebenso in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Insbesondere wenn ein unterschiedlicher Typ einer Messtechnik zum Erhalten des Wertes einiger Variablen verwendet wird, kann eine andersartige Anordnung der Messeinrichtung sachdienlich sein. Ganz offensichtlich kann die Vorrichtungskonstruktion mit zusätzlichen Instrumenten zum Messen von zusätzlichen Parametern ergänzt sein.

Claims (14)

1. Verfahren, um mit Hilfe einer Messvorrichtung die Eigenschaften einer Mischung oder eines Bestandteils daraus zu messen, die/der in der Verarbeitung einer Papieroder Kartonagenbahn verwendet wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Probenentnahme der zu messenden Mischung in die Messvorrtchtung, – Setzen des Drucks der Mischungsprobe auf ein erstes Druckniveau, bei dem ein wesentlicher Anteil des in der Mischung enthaltenen Gases in der Form von Gasblasen vorliegt, und dann Messen eines ersten Dichtewerts der Mischung bei dem ersten Druckniveau, - Verändern des Druckniveaus der Mischungsprobe, – Setzen des Drucks der Mischungsprobe auf ein zweites Druckniveau, bei dem ein wesentlicher Anteil des in der Mischung enthaltenen Gases in der Mischung gelöst und/oder in einer im Wesentlichen komprimierten gasförmigen Form ist, und dann Messen eines zweiten Dichtewerts der Mischung bei dem zweiten Druckniveau, – Messen der Temperatur der Mischung, – Messen der Viskosität der Mischung, – Bestimmen der Trockenfeststoff-Dichte der Mischung, – Bestimmen der Dichte von Wasser bei der gemessenen Temperatur der Mischung, und – Berechnen des Trockenfeststoff-Gehalts der Mischung aus dem zweiten Dichtewert, der Dichte von Wasser bei der gemessenen Temperatur und der bestimmten Trockenfeststoffdichte der Mischung, und – Abgeben der Mischungsprobe von der Messvorrichtung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Mischungs-Eigenschaften von einer Streichmischungs-Probe gemacht wird, die von dem Maschinenkreislauf einer Streichanlage aus der unmittelbaren Nähe der Auftrageinheiten der Streichanlage zu der Messvorrichtung geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Streichmischungs-Probe von der Messvorrichtung zurück in den Maschinenkreislauf der Streichanlage geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Vermessen einer Pigment-Aufschlämmung bestimmt ist, die zur Zubereitung einer Streichmischung verwendet wird, wobei die Aufschlämmung von der Zubereitungsausrüstung der Aufschlämmung an die Messvorrichtung geführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Mischung während ihrer Dichtemessung vorherrschende Dichte und der Druck durch eine Abfolge von Schritten bestimmt werden, aufweisend: – Führen der Mischung in ein Mengenfluss-Messgerät eines Coriolis-Typs, in dem die Dichte der Mischung gemessen wird, – Messen des Eingangsdrucks der Mischung, die in das Coriolis-Typ-Mengenfluss-Messgerät geführt wird, – Messen des Ausgangsdrucks der von dem Coriolis-Typ-Mengenfluss-Messgerät abgegebenen Mischung, – Bestimmen des in der Mischung während ihrer Dichtemessung vorherrschenden Drucks aus den gemessenen Werten der Eingangs- und Ausgangsdrücke der Mischung.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgehalt der Mischung aus dem ersten und zweiten Wert der Dichte und dem ersten und zweiten Wert des Drucks berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Mischung durch eine Abfolge von Schritten bestimmt wird, aufweisend: - Führen der Mischung in ein Kapillarröhrchen, - Bestimmen der Volumenströmungsrate der in das Kapillarröhrchen geführten Mischung, - Messen des Differentialdrucks der Mischungsströmung an zwei Messpunkten, die in dem Kapillarröhrchen in einem Abstand zueinander platziert sind, und - Berechnen der Viskosität aus der gemessenen Volumenströmungsrate, dem gemessenen Differentialdruck und den Abmessungen des Kapillarröhrchens.
8. Verfahren nach Anspruch 5 bzw. 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialdruck der Mischungsströmung durch eine Abfolge von Schritten bestimmt wird, aufweisend: - Bestimmen eines geeigneten Messbereichs für die Differentialdruckmessung aus den Werten des Eingangs- und Ausgangsdrucks, die in Verbindung mit der Messung der Mischungsdichte erhalten werden, und - nachfolgendes Messen des Differentialdrucks über den somit bestimmten Messbereich des Differentialdrucks.
9. Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften einer Mischung oder eines Bestandteils daraus, die/der in dem Verarbeitungsverfahren einer Papier- oder Kartonagenbahn verwendet wird, wobei die Vorrichtung aufweist: - einen Vorrichtungsrahmen (23), - eine Probenleitung (6) für die Mischung, die in dem Vorrichtungsrahmen (23) _zum Führen einer Strömung der einer Messung unterliegenden Mischung durch die Vorrichtung bestimmt ist, - Mittel (7, 21), die in der Probenleitung (6) der Mischung zum Setzen des Drucks der der Messung unterliegenden Mischung bestimmt sind, und - Mittel (10, 11, 12, 13, 16, 17), die in der Probenleitung (6) der Mischung _zum Messen der Druck- und Temperaturwerte der Mischung bestimmt sind, gekennzeichnet durch: - eine Pumpe (7), die in der Probenleitung (6) der Mischung zum Zirkulieren der Mischung durch die Mischungs-Probenleitung (6) bestimmt ist, - ein Steuerventil (21), das an dem Auslassende der Mischungs-Probenleitung (6) angeordnet ist, um in Verbindung mit der Pumpe (7) den Druck der durch die Mischungs-Probenleitung (6) geführten Mischung auf ein gewünschtes Maß zu setzen, - Mittel (14, 15), die in der Mischungs-Probenleitung (6) zum Messen de_r Dichtewerte der Mischung bei den entsprechenden gemessenen Druck- und Temperaturwerten der Mischung angeordnet sind, und - Mittel (14, 15, 18, 19, 20), die in der Mischungs-Probenleitung (6) zum Bestimmen der Viskosität der Mischung angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) zum Messen der Dichtewerte der Mischung und der entsprechenden gemessenen Druck- und Temperaturwerte der Mischung einen Temperatur-Messwertgeber (10, 11), einen ersten Druck-Messwertgeber (12, 13), einen Dichte-Messwertgeber (14, 15), einen Massen- oder Volumenstromraten-Messwertgeber (14, 15) und einen zweiten Druck-Messwertgeber (16, 17) aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel in der Mischungs-Probenleitung (6) in der Strömungsrichtung der Mischung angeordnet sind, derart, dass der erste Druck-Messwertgeber (12, 13) vor dem Dichte-Messwertgeber (14, 15) und der zweite Druck-Messwertgeber (16, 17) nach dem Dichte-Messwertgeber (14, 15) angeordnet ist, womit es ermöglicht ist, den in der Mischung während ihrer Dichtemessung vorherrschenden Druck auf zuverlässige Weise zu bestimmen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichte-Messwertgeber und der Messwertgeber der Massenströmung durch eine einzelne Coriolis-Typ-Massenströmungmessvorrichtung (14, 15) gebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14, 15, 18, 19, 20) zum Bestimmen der Viskosität der Mischung ein Kapillarröhrchen (18), einen Differentialdruck-Messwertgeber (19) und Messdüsen (20) aufweisen, um den in dem Innenraum des Kapillarröhrchens (18) vorherrschenden Innendruck von zumindest zwei Messpunkten an den Differentialdruck-Messwertgeber (19) zu übertragen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 bzw. 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarröhrchen in der Mischungs-Probenleitung ( ⁶ ) in der Strömungsrichtung der Mischung nach dem ersten Druck-Messwertgeber (12, 13), dem Coriolis-Typ-Massenströmungsmessgerät (14, 15) und dem zweiten Druck-Messwertgeber (16, 17) angeordnet ist.