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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Steuern der kontinuierlichen
Bahnherstellung und insbesondere der Überwachung und Steuerung der
Nasspartiechemie in einer Papiermaschine.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Auf
dem technischen Gebiet der Papierherstellung mit modernen Hochgeschwindigkeitsmaschinen
müssen
die Bahneigenschaften kontinuierlich überwacht und gesteuert werden,
um die Bahnqualität
zu sichern und die Menge an Endprodukt zu minimieren, die in den
Ausschuss gelangt, wenn es eine Störung im Herstellungsprozess
gibt. Zu den am häufigsten
gemessenen Bahnvariablen gehören
Basisgewicht, Feuchtigkeitsgehalt und die Stärke (oder Dicke) der Bögen auf
verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses. Diese Prozessvariablen
werden in der Regel beispielsweise durch Einstellen der Rohstoffzufuhrrate
am Beginn des Prozesses, durch Regeln der Menge des Dampfes, der
auf das Papier nahe der Mitte des Prozesses einwirkt, oder durch Variieren
des Quetschdrucks zwischen den Kalanderwalzen am Ende des Prozesses
gesteuert. Einschlägig
bekannte Papiermaschinen sind zum Beispiel in "Handbook for Pulp & Paper Technologists", 2. Ausgabe, G.
A. Smook, 1992, Angus Wilde Publications, Inc., und in "Pule and Paper Manufacture", Band III (Papier-
und Pappenherstellung), R. MacDonald, Ausgabe 1970, McGraw Hill,
beschrieben. Bahnherstellungssysteme sind des Weiteren zum Beispiel
in den
US-Patenten mit den Nummern 5,539,634 ,
5,022,966 ,
4,982,334 ,
4,786,817 und
4,767,935 beschrieben.
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Bei
der Herstellung von Papier auf kontinuierlichen Papiermaschinen
wird eine Papierbahn aus einer wässrigen
Suspension aus Fasern (Stoff) auf einem sich bewegenden Sieb oder
Tuch hergestellt, und Wasser läuft
durch Schwerkraft und Unterdruckabsaugung durch das Tuch ab. Die
Bahn wird dann zur Presspartie verbracht, wo weiteres Wasser mittels
trockenem Filz und Druck entfernt wird. Als nächstes tritt die Bahn in die
Trocknerpartie ein, wo dampfbeheizte Trockner und Heißluft den
Trocknungsprozess vollenden. Die Papiermaschine ist im Wesentlichen
ein Entwässerungs-,
d. h. Wasseraustragssystem. Auf dem Gebiet der Bahnherstellung bezieht
sich der Begriff "Maschinenrichtung" (MR) auf die Richtung,
in der sich das Bahnmaterial während
des Herstellungsprozesses bewegt, während sich der Begriff "Querrichtung" (QR) auf die Richtung der
Breite der Bahn bezieht, die im rechten Winkel zur Maschinenrichtung
verläuft.
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In
den Rohstoffen für
die Papierherstellung wird eine breite Palette an Chemikalien verwendet, um
bestimmte Eigenschaften zu verleihen oder zu verbessern oder um
sonstigen notwendigen Zwecken zu dienen. Gewöhnlich werden Zuschlagstoffe wie
Alaun, Schlichtungsmittel, mineralische Füllstoffe, Stärken und
Farbstoffe verwendet. Chemikalien für Steuerungszwecke, wie zum
Beispiel Entwässerungshilfen,
Entschäumer,
Retentionshilfen, Pechdispergiermittel, Schleimverhütungsmittel
und Korrosionshemmer, werden nach Bedarf beigegeben. Die Herstellung
von Qualitätspapier
erforderte die Beigabe der richtigen Mengen dieser Chemikalien.
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Die
Nasspartiechemie befasst sich mit sämtlichen Wechselwirkungen zwischen
Papierrohstoffen und den chemisch-physikalischen Prozessen, die
in der Nasspartie der Papiermaschine ablaufen. Die wichtigsten Wechselwirkungen
auf molekularer und kolloidaler Ebene sind Oberflächenladung,
Flockung, Koagulation, Hydrolyse, zeitabhängige chemische Reaktionen
und mikrobiologische Aktivität.
Diese Wechselwirkungen sind für
den Papierherstellungsprozess von fundamentaler Bedeutung. Um zum
Beispiel effektive Retention, Entwässerung, Bahnbildung und Bahneigenschaften
zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Füllstoffpartikel, Faserfeinstoffe, Schlichte
und Stärke
auf die großen
Fasern ausgeflockt und/oder adsorbiert werden, wobei die Flockung
zwischen den großen
Fasern selbst nur minimal ist.
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An
der Nasspartiechemie sind drei Hauptgruppen beteiligt: Feststoffe,
Kolloide und lösliche Stoffe.
Die meiste Aufmerksamkeit konzentriert sich auf die Feststoffe und
ihre Retention. Um die Retention zu maximieren, ist es wichtig zu
bewirken, dass die Feinstoffe und Füllstoffe sich einander annähern und
Bindungen oder Aggregate bilden, die gegenüber den Scherkräften stabil
sind, die im Stoffauflauf- und -verteilersystem wirken. In der modernen
Papierherstellung wird dies in der Regel mit Hilfe synthetischer
Polymere erreicht.
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Die
Steuerung der Nasspartiechemie ist von ausschlaggebender Bedeutung,
um die Herstellung eines gleichmäßigen Papierprodukts
zu gewährleisten.
Wenn man das System aus dem Gleichgewicht kommen lässt (zum
Beispiel durch Verwendung von zu viel kationischen Polymeren), so
flocken die Fasern selbst aus, was die Bahnbildung beeinträchtigt. Des
Weiteren werden in der Nasspartie häufig funktionale Zuschlagstoffe
(zum Beispiel Schlichten, Nassfestigkeitshilfsmittel) beigegeben.
Wenn die Chemie nicht unter Kontrolle ist, so kann es passieren,
dass die Funktionalität
nicht adäquat
entsteht, so dass das Produkt nicht den Qualitätsanforderungen entspricht.
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Die
Nasspartie einer Papiermaschine ist für die langfristige Stabilität der Maschine
und letztendlich für
die Qualität
des entstehenden Produkts von maßgeblicher Bedeutung. Die Schwankungen
beim Volumenfluss aus dem Stoffauflaufkasten und/oder bei der Zusammensetzung
(zum Beispiel Feststoffe, Feinstoffe und Chemikalien) der Stoffsuspension oder
des Papierbreis, die bzw. der den Stoffauflaufkasten verlässt, beeinflussen
den prozentualen Feststoffgehalt der Nassfasermatte, die den Trocknerpartien
zugeführt
wird. Diese Änderungen
werden durch den Rollenabtaster erkannt, aber aufgrund der Transportzeitverzögerung und
der Reaktionszeit des Abtasters ist das Feuchtigkeitssteuerungssystem
der Trockenpartie nicht in der Lage, diese unerwünschten Lastveränderungen
auszugleichen.
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Während des
normalen Betriebes der Papiermaschine in einem stabilen Zustand
entsteht ein Äquilibriumzustand
des Materialgleichgewichts des kurzen und des langen Stoffzirkulationskreislaufs. Für den kurzen
Zirkulationskreislauf bedeutet das, dass die Feinstoff- und Füllstoffretention
der Papierbahn im Gleichgewicht mit der Konzentration dieser Materialien
in der Weißwasserzirkulation
ist, und für den
langen Zirkulationskreislauf bedeutet das, dass die Faserfängeroperation,
die Abfallmaterialfüllerkonzentration,
die Retentionschemikalienkonzentration und die Papierrohstoffzusammensetzung
stabil sind.
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Herkömmliche
Verfahren zum Steuern des Basisgewichts des hergestellten Papiers
beinhalten das Regulieren der Papierbreiströmungsrate vom Zeugkasten durch
ein Basisgewicht- oder Dickstoffventil in den Stoffauflaufkasten.
Das Ventil wird in Reaktion auf Abtastsensormessungen des Papiers
unmittelbar vor der Rolle betätigt.
Die Fähigkeit
dieser Regelkreistechnik, Störungen
auszugleichen, ist jedoch aufgrund der langen Zeitverzögerungen
durch die Maschine hindurch vom Dickstoffventil zur Rolle begrenzt.
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EP 0 826 821 offenbart eine
Regelkreisvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Querrichtungs-
und/oder Maschinenrichtungsprofils wenigstens eines Qualitäts merkmals
im Papierherstellungsprozess mit Hilfe zweier Sensoren.
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US 3 713 966 offenbart eine
Vorrichtung zum Feststellen und Beurteilen des Querprofils des Feuchtigkeitsgehalts
eines sich bewegenden Bahnmaterials, wobei der Feuchtigkeitsgehalt
in verschiedenen Bereichen des Bahnmaterials festgestellt und zum
Steuern des Feuchtigkeitsgehalts des Bahnmaterials verwendet wird.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren nach Anspruch 1 bereit.
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Das
Verfahren kann die Merkmale nach einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 2 bis 17
enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung stellt des Weiteren ein System nach Anspruch
18 bereit.
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Das
System kann die Merkmale nach einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 20 bis
32 enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Entwicklung eines
Untersieb-Wassergewichtssensors (im vorliegenden Text als der "USWG-Sensor" bezeichnet), der
drei Eigenschaften von Materialien erfassen kann: die Leitfähigkeit
oder der Widerstand, die Dielektrizitätskonstante und die Nähe des Materials
zu dem USWG-Sensor. Je nach dem Material herrschen eine oder mehrere
dieser Eigenschaften vor. Die USWG-Sensoren sind in einer Papiermaschine
in der MR-Richtung
angeordnet und dienen dem Messen der Leitfähigkeit eines wässrigen
Gemischs (als Nassstoff bezeichnet) in einem Papierherstellungssystem.
In diesem Fall ist die Leitfähigkeit
des Nassstoffs hoch und dominiert die Messung des USWG-Sensors.
Die Nähe
wird durch das Berühren
der Tragbahn in dem Papier herstellungssystem unter dem Nassstoff
konstant gehalten. Die Leitfähigkeit
des Nassstoffs ist direkt proportional zum Gesamtgewicht des Wassers
innerhalb des Nassstoffs. Folglich liefert der Sensor Informationen, die
zum Überwachen
und Steuern der Qualität
der Papierblätter,
die durch das Papierherstellungssystem hergestellt werden, verwendet
werden können.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung aus USWG-Sensoren
verwendet, um das Wassergewicht in der MR der Bahn einer Langsiebpapiermaschine
zu messen und Wassergewichts- oder Entwässerungsprofile zu erstellen.
Diese Sensoren haben eine sehr kurze Reaktionszeit (1 ms) und sind
in der Lage, einen präzisen
Wert des Wassergewichts zu erzeugen, der zu dem Basisgewicht des
Papiers in Beziehung steht. Die Wassergewichtsmessungen können praktisch
anhand des Untersieb-Gewichtssensors 600 Mal in der Sekunde berechnet
werden. Durch Überwachen
des MR-Trends jedes der MR-Sensoren in der Anordnung ist es möglich, die Änderung
des Wassergewichts bahnabwärts zwischen
jedem dieser Sensoren zu korrelieren.
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Das
Verfahren zum Abstimmen des Betriebes einer Langsiebpapiermaschine
zum Herstellen einer bestimmten Papiersorte weist eine aus drei Schritten
bestehende Vorgehensweise auf. Der erste Schritt beinhaltet das
Abstimmen der Prozessparameter der Langsiebpapiermaschine, um eine
optimierte Konfiguration zu erhalten, die Papier von akzeptabler
Qualität
hervorbringt, was durch direkte Messung festgestellt wird. Das Entwässerungsprofil, das
dieser optimierten Konfiguration entspricht, wird dann mit Wassergewichtssensoren,
die entlang der Maschinenrichtung verteilt sind, gemessen und aufgezeichnet.
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Dieses
optimale Entwässerungsprofil
kann dann mittels standardmäßiger Kurvenanpassungstechniken
an ver schiedene parametrisierte Funktionen (wie zum Beispiel ein
Exponential) angepasst werden. Dieses Kurvenanpassungsverfahren
bewirkt ein Ausgleichen der Auswirkungen des Rauschens auf das Profil
und ein Interpolieren zwischen Messpunkten.
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Während nachfolgender
Produktionsdurchgänge
der Langsiebpapiermaschine besteht das Ziel darin, das zuvor ermittelte
optimale Entwässerungsprofil
zu reproduzieren. Wenn der gemessene Feuchtigkeitsgehalt an einer
bestimmten Position entweder über
oder unter dem optimalen Wert für
diese Position liegt, so werden die Maschinenparameter, wie beispielsweise
die mechanische Wirkung des Refiners oder die Nasspartie-Zuschlagstoffe, nach
Bedarf justiert, um diesen Messwert näher an den optimalen Wert heranzuführen.
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Herstellung
einer Bahn aus Nassstoff, der Fasern aufweist, nach Anspruch 1.
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Unter
anderem steigert die Erfindung die Arbeitsproduktivität, weil
der Papierhersteller nun rasch die richtigen Refinervariablen und/oder
die richtige Menge nicht-faseriger Zuschlagstoffe für eine bestimmte
Papiersorte bestimmen kann. Das hergestellte Papier hat eine optimale
Faserorientierung und -zusammensetzung, die sich in der Bahnbildung und
-festigkeit widerspiegelt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Bahnherstellungssystem, das die Technik der vorliegenden Erfindung
implementiert.
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2 zeigt
ein Blockschaubild einer Messvorrichtung, die eine Sensoranordnung
enthält.
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3 zeigt
einen Schaltplan des Blockschaubildes von 2.
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4 ist
ein Kurvendiagramm, das das Wassergewicht im Verhältnis zur
Siebposition in einer Papiermaschine zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung verwendet ein System, das einen oder mehrere
Sensoren enthält, die
das Basisgewicht von Papierbrei auf der Bahn oder dem Sieb einer
Papiermaschine, zum Beispiel einer Langsiebpapiermaschine, messen.
Bei diesen Sensoren handelt es sich vorzugsweise um Sensoren, die
eine sehr kurze Reaktionszeit (1 ms) aufweisen, so dass ein im Wesentlichen
augenblickliches Profil des Basisgewichts erhalten werden kann.
Obgleich die Erfindung als Teil einer Langsiebpapiermaschine beschrieben
wird, versteht es sich, dass die Erfindung auch auf andere Papiermaschinen,
einschließlich
beispielsweise Doppelsiebmaschinen und Maschinen mit mehreren Stoffauflaufkästen, und
auf Pappenherstellungsmaschinen, wie zum Beispiel Zylindermaschinen
oder Kobayshi-Former, anwendbar ist. Einige herkömmliche Elemente einer Papiermaschine
werden in der folgenden Offenbarung weggelassen, um nicht die Beschreibung
der Elemente der vorliegenden Erfindung in den Hintergrund treten
zu lassen.
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1 zeigt
ein System zum Herstellen eines kontinuierlichen Bahnmaterials,
das Verarbeitungsstufen aufweist, die einen Stoffauflaufkasten 1,
eine Bahn oder ein Sieb 7, einen Trockner 2, ein
Kalandrierwerk 3 und eine Rolle 4 enthält. (Nicht
gezeigte) Aktuatoren im Stoffauflaufkasten 1 lassen Nassstoff (beispielsweise
Papierbrei) durch mehrere Stauvorrichtungen 11 auf das
Tragsieb 7 ab, das sich zwischen den Walzen 5 und 6 dreht.
(Nicht gezeigte) Kaschierungen und Unterdruckkästen entfernen Wasser, gemeinhin
als "Weiß wasser" bekannt, aus dem Nassstoff
auf dem Sieb in die Siebgrube 8 zur Wiederverwertung. Ein
Teil des Nassstoffs aus der Grube wird direkt über Leitungen 72 und 76 in
den Stoffauflaufkasten zurückgeleitet,
während
ein anderer Teil des Nassstoffs zum Fänger 90 umgeleitet
wird, wo er zu Wasser aufgetrennt wird, das gespeichert wird oder über die
Leitung 94 wiederverwendet wird. Der Nassstoff oder das
Weißwasser,
der bzw. das wiederverwertet wird, enthält überwiegend Fasern, Füllstoffe
(zum Beispiel Ton) und Wasser. Dieser Recycling-Kreislauf wird gemeinhin
die kurze Zirkulation oder der Weißwasserkreislauf genannt. Fasern,
die durch den Fänger
zurückgewonnen
werden, werden in der Regel als ein wässriges Gemisch über eine Leitung
zum hinteren Ende der Tauchpumpe recycelt. Das System enthält außerdem einen
Mechanismus zur Rückgewinnung
von Fertigungsausschuss, womit teilweise oder vollständig hergestelltes
Papier oder teilweise oder vollständig hergestellte Pappe gemeint
ist, das bzw. die von einem beliebigen Punkt des Herstellungs- oder
Endverarbeitungsprozesses als Ausschuss ausgestoßen wird. Zum Beispiel wird während einer
Bahnunterbrechung oder einem Bahnbeginn Material, das die Bahn verlässt, wiederverwertet
(recycelt). Fertigungsausschuss wird im Auffangbehälter 80 zurückgewonnen
und über
die Leitung 82 zum Kopftank 53 umgeleitet. Dieser
Kreislauf wird gemeinhin als der lange Zirkulationskreislauf bezeichnet.
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Ein
Abtastsensor
14 bewegt sich kontinuierlich quer über die
fertige Bahn (zum Beispiel Papier) und misst Eigenschaften der fertigen
Bahn. Es könnten
auch mehrere ortsfeste Sensoren verwendet werden. Abtastsensoren
sind dem Fachmann bekannt und sind zum Beispiel in den
US-Patenten Nr. 5,094,535 ,
4,879,471 ,
5,315,124 und
5,432,353 beschrieben. Die fertige
Bahn wird dann auf der Rolle
4 aufgewickelt. Im Sinne des
vorliegenden Textes beinhaltet der "Nasspartie"-Abschnitt dieses Systems den Stoffauflaufkasten,
die Bahn und die Abschnitte unmittelbar vor dem Trockner, und die "Trockenpartie" beinhaltet die Abschnitte
stromabwärts
von dem Trockner.
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Das
System enthält
des Weiteren Mittel zum Messen des Basisgewichts der Nassstoffbahn
auf dem Sieb. Eine bevorzugte Vorrichtung ist der Untersieb-Wassergewichts-
oder USWG-Sensor, der einzeln oder in Kombination eingesetzt wird
und der im vorliegenden Text näher
beschrieben wird. Bei einer Ausführungsform
ist eine Anordnung von USWG-Sensoren unter dem Sieb in der QR- oder MR-Position
positioniert. Zum Beispiel kann das Basisgewicht in der Nasspartie
mit einer QR-Anordnung 12 der
USWG-Sensoren gemessen werden, die unterhalb des Siebes 7 positioniert
ist. Damit ist gemeint, dass jeder Sensor unterhalb eines Abschnitts des
Siebes positioniert ist, der den Nassstoff trägt. Wie im vorliegenden Text
noch näher
beschrieben wird, ist jeder der Sensoren dafür konfiguriert, das Wassergewicht
des Bahnmaterials zu messen, während
es sich über
die Anordnung hinweg bewegt. Die Anordnung sorgt für eine kontinuierliche
Messung des gesamten Bahnmaterials entlang der QR-Richtung an dem
Punkt, wo es die Anordnung passiert. Es wird ein Profil erstellt,
das aus einer Vielzahl von Wassergewichtsmessungen an verschiedenen
Stellen in der QR besteht. Bei einer Ausführungsform wird ein Durchschnitt
dieser Messungen gebildet und zu einem Nasspartie-Basisgewicht umgewandelt.
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Alternativ
ist eine MR-Anordnung, die aus drei USWG-Sensoren 9A, 9B und 9C besteht,
unter dem Sieb 7 positioniert. Es wird ein Wassergewichtsprofil
erstellt, das aus einer Vielzahl von Wassergewichtsmessungen an
verschiedenen Stellen in der MR besteht. Die Anordnung sollte mindestens
2 Sensoren aufweisen. In der Regel werden 3 bis 6 Sensoren in Tandem-Anordnung verwendet
und ungefähr
1 m von Rand des Siebes positioniert. In der Regel werden die Sensoren in
einem Abstand von etwa 30 bis 60 cm voneinander positioniert. Sowohl die
Sensoren in der QR-Anordnung als auch die Sensoren in der MR-Anordnung
werden vorzugsweise stromaufwärts
von einer Trockenlinie positioniert, die an Position 10 des
Siebes entsteht.
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Der
Begriff "Wassergewicht" bezieht sich auf die
Masse oder das Gewicht von Wasser je Flächeneinheit des Nasspapierbreis,
der sich auf dem Sieb befindet. In der Regel sind die USWG-Sensoren, wenn
sie unter dem Sieb positioniert sind, so kalibriert, dass sie technische
Einheiten von Gramm je Quadratmeter (g/m2)
ausgeben. Als eine Näherung entspricht
ein Messwert von 10.000 g/m2 einem Papierbrei
mit einer Dicke von 1 cm auf dem Tuch. Der Begriff "Basisgewicht" oder "BG" bezieht sich auf
das Gesamtgewicht des Materials je Flächeneinheit. Der Begriff "Trockengewicht" oder "Trockenstoffgewicht" bezieht sich auf
das Gewicht des Materials (ohne Gewicht, das auf Wasser zurückzuführen ist)
je Flächeneinheit.
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In
der Regel werden die Papierherstellungsrohstoffe oder -ausgangsmaterialien
zugemessen, verdünnt,
mit erforderlichen Zuschlagstoffen vermischt und schließlich gesiebt
und gereinigt, während
sie über
eine Gebläsepumpe 50 in
den Stoffauflaufkasten 1 eingeleitet werden. Genauer gesagt,
obgleich Stoff aus dem Stoffkasten 54 hinreichend frei von
Verunreinigungen sein sollte, verwenden Stoffverteilersysteme von
Papiermaschinen in der Regel Drucksiebe 51 und Zentrifugalreiniger 52,
um Kontaminierungen zu verhindern.
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Die
Gebläsepumpe 50 dient
dem Vermischen des Papierstoffes mit dem Weißwasser und dem Zuführen des
Gemischs zu dem Stoffauflaufkasten 1. Um eine gleichmäßige Dispersion
zum Stoffauflaufkasten zu gewährleisten,
wird der Papierstoff aus einem Konstantkopftank 53, gemeinhin
als "Zeugkasten" bezeichnet, über eine
Leitung zugeführt,
die durch ein Steuerventil (auch als "Basisgewichtsventil" bezeichnet) geregelt wird.
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Papierstoff
wird dem Stoffkasten 54 aus einem Refiner 20 zugeführt, der
verstellbare mechanische Elemente enthält, zum Beispiel motorbetriebene
Scheibenelemente oder Platten zum Mahlen der Papierfaseroberflächen. Im
Allgemeinen ist der Refiner Teil des Papierstoffaufbereitungssystems,
das die Pulpe oder den Papierstoff in einer solchen Weise aufbereitet,
konditioniert und/oder behandelt, dass eine zufriedenstellende Papierbahn
hergestellt werden kann. Die Beladung des Refiners wird durch eine Steuerung 21 geregelt.
Das Verstellen der Beladung erhöht
oder verringert den Grad der mechanischen Wirkung auf die Pulpe
durch die mechanischen Elemente in dem Refiner. Der Refiner ist
an Quellen für Dickstoff
und Wasser angeschlossen. Um hochwertiges Papier zu erhalten, ist
in der Regel mehr als eine einzige Papierbreiquelle angeschlossen.
Wie in 1 veranschaulicht, ist der Refiner 20 an
drei Quellen 201, 202 und 203 über Ventile 206, 207 bzw. 208 angeschlossen.
Die Ventile wiederum werden durch Steuerungen 206A, 207A bzw. 208A geregelt. Die
Papierbreiquellen können
verschiedene Holzarten (zum Beispiel Weichholz oder Hartholz) und/oder verschiedene
Holzaufschlussmechanismen (zum Beispiel mechanisch, chemisch oder
Hybrid) darstellen. Obgleich die Quellen an einen einzelnen Refiner angeschlossen
sind, versteht es sich, dass jede Quelle auch an einen separaten
Refiner angeschlossen sein kann, der mit dem Zeugkasten 54 verbunden
ist. Wie zu erkennen ist, kann die Strömungsrate jeder Papierbreiquelle
justiert werden. Ein intensives Mahlen des Papierstoffes in dem
Refiner verringert die Rate, mit der Wasser durch das Sieb abfließt. Es ist
daher üblich,
einen rasch entwässernden
Papierstoff als "entwässerungsfreudig" oder "mit einer hohen Stoffdurchlässigkeit" zu bezeichnen, während ein
stark gemahlener Papierstoff als "nicht entwässerungsfreudig" oder "mit einer geringen
Stoffdurchlässigkeit" bezeichnet wird.
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Das
System enthält
des Weiteren Mittel zum Beimengen nicht-faseriger Zuschlagstoffe
zu dem Papierstoff. Chemische Zuschlagstoffe werden auf verschiedenen
Stufen in dem Prozess beigegeben. Zu chemischen und mineralischen
Nasspartie-Zuschlagstoffen gehören
zum Beispiel Säuren
und Basen, Alaun, Schlichtungsmittel, Trockenfestigkeitshilfsstoffe,
Nassfestigkeitsharze, Füllstoffe,
Färbemittel,
Retentionshilfen, Faserflockungsmittel, Entschäumer, Entwässerungshilfen, optische Aufheller, Pechsteuerungschemikalien,
Schleimverhütungsmittel
und Feinchemikalien. Einige dieser Chemikalien, zum Beispiel Alaun,
können
dafür verwendet
werden, das zeta-Potenzial von Faserpartikeln in dem Papierstoff
zu verändern.
Die konkreten Arten von Zuschlagstoffen, die verwendet werden, hängen – neben
anderen Parametern – von
der herzustellenden Papiersorte ab. Die Quelle 140 enthält ein Koagulationsmittel,
zum Beispiel Alaun, das dem Papierstoff in dem Kopftank 53 beigegeben
wird. Das Alaun dient dem Verbessern der Retention von Feinstoffen
und Füllstoffen
an den Fasern. Die beigegebene Menge an Alaun wird durch die Steuerung 150 geregelt.
Die Quelle 120 enthält
Flockungsmittel, die die Bahnbildung verbessern, indem sie die Bindung
von Fasermaterial und Füllstoffen
unterstützen.
Die Menge an Flockungsmitteln, die der Strecke hinzugefügt werden,
die den Kopftank 53 verlässt, wird durch die Steuerung 130 geregelt.
Schließlich
enthält
die Quelle 100 Feinchemikalien, zum Beispiel Korrosionshemmer
und Schleimverhütungsmittel.
Die Menge dieser Bestandteile wird durch die Steuerung 110 geregelt.
Das oben Dargelegte dient nur der Veranschaulichung der verschiedenen
Strategien, die implementiert werden können. Es ist klar, dass alternativ auch
andere Chemikalien verwendet werden können und dass die Chemikalien
auch auf anderen Stufen des Prozesses beigegeben werden können.
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Das
Entwässerungsprofil
eines Langsiebes ist eine komplizierte Funktion, die grundsätzlich von der
Anordnung und Leistung der Entwässerungselemente,
den Charakteristika des Siebes, der Spannung des Siebes, den Charakteristika
des Papierstoffes (zum Beispiel Stoffdurchlässigkeit, pH-Wert und Zuschlagstoffe),
der Papierstoffdicke, der Papierstofftemperatur, der Papierstoffkonsistenz,
der Siebgeschwindigkeit und der Refinerbeladung oder -leistung abhängt. Durch
Steuern eines oder mehrerer Betriebsparameter des Systems kann die
Qualität des
hergestellten Papiers geregelt werden. Obgleich man die Konzentration
von Zuschlagstoffen einstellen kann, um das Endprodukt zu regulieren,
und/oder den Pulpenfluss in den Refiner justieren kann, wenn mehrere
Quellen verwendet werden, ist es im Allgemeinen für eine bestimmte
Papiersorte bevorzugt, die Konzentration der Zuschlagstoffe und
die Pulpenströmungsraten
beizubehalten, sobald die optimalen Werte eingestellt sind. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das System dafür
verwendet, einen oder mehrere der anderen Prozessparameter zu steuern,
während
der Fluss der Zuschlagstoffe und der Pulpe innerhalb bestimmter
Sollwerte gehalten wird. Einer dieser Parameter ist die Refinerleistung. Dies
kann mit Hilfe eines Refiners bewerkstelligt werden, der ein Refinerplattenpositionssteuersystem aufweist.
Indem die Fasern verschiedenen Graden mechanischer Einwirkung unterzogen
werden, weist der Papierstoff, der auf das Sieb fließt, unterschiedliche
Eigenschaften, zum Beispiel ein anderes Entwässerungsverhalten, auf.
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Wassergewichtssensoren,
die an strategischen Stellen entlang des Papierherstellungstuches angeordnet
sind, können
zum Profilieren des Entwässerungsprozesses
verwendet werden (im Weiteren als "Entwässerungsprofil" bezeichnet). Durch
Variieren der oben erwähnten
Prozessparameter und Messen von Änderungen
im Entwässerungsprofil kann
man nun ein Modell erstellen, das die dynamischen Abläufe der
Papierprozesse in der Nasspartie simuliert. Umgekehrt kann man das
Modell verwenden, um zu bestimmen, wie die Prozessparameter zu variieren
sind, um das Entwässerungsprofil
beizubehalten oder eine bestimmte Veränderung in dem Entwässerungsprofil
herbeizuführen.
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Es
sind drei Wassergewichtssensoren 9A, 9B und 9C veranschaulicht,
um das Wassergewicht des Papierstoffs auf dem Sieb zu messen. Die
Positionen entlang des Tuchs, wo sich die drei Sensoren befinden,
sind mit "h", "m" bzw. "d" bezeichnet.
Es können
auch mehr als drei Wassergewichtssensoren verwendet werden. Die
Sensoren brauchen nicht in Tandem-Anordnung ausgerichtet zu sein.
Die einzige Vorgabe ist, dass sie an verschiedenen Positionen in Maschinenrichtung
und unter dem Sieb positioniert sind.
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Die
Sensoren befinden sich vorzugsweise unmittelbar neben dem Sieb.
In der Regel werden die Messwerte von dem Wassergewichtssensor an
Position "h", die dem Stoffauflaufkasten
am nächsten liegt,
stärker
durch Veränderungen
bei der Stoffdurchlässigkeit
beeinflusst als durch Veränderungen beim
Trockenstoff, weil Veränderungen
beim Trockenstoff im Vergleich zu der großen Entwässerungswassermenge unbedeutend
sind. An der mittleren Position "m" wird der Wassergewichtssensor
in der Regel stärker
durch Veränderungen
bei der Menge des Entwässerungswassers
beeinflusst als durch Veränderungen
bei der Menge an Trockenstoff. Die Position "m" wird
ganz besonders bevorzugt so gewählt,
dass sie sowohl Änderungen
beim Papierstoffgewicht als auch Änderungen bei der Stoffdurchlässigkeit
erfasst. Schließlich
wird die Position "d", die der Trocknungspartie
am nächsten
liegt, so gewählt, dass
der Wassergewichtssensor Änderungen
beim Trockenstoff erfasst, weil an diesem Punkt des Entwässerungsprozesses
die Menge an Wasser, das an der Faser anhaftet oder mit der Faser
verbunden ist, proportional zum Fasergewicht ist.
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Dieser
Wassergewichtssensor erfasst außerdem
Veränderungen
bei der Durchlässigkeit
des Siebes, wenn auch in einem geringeren Grad. Vorzugsweise wurden
an der Position "d" genügend Mengen
Wasser ausgetragen, so dass der Papierstoff eine effektive Konsistenz
hat, wodurch im Wesentlichen kein weiterer Faserverlust durch das
Tuch hindurch erfolgt.
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Beim
Messen des Papierstoffs ist die Leitfähigkeit des Gemisches hoch
und dominiert die Messung des Sensors. Die Leitfähigkeit des Papierstoffs verhält sich
direkt proportional zum Wassergesamtgewicht im Inneren, so dass
Informationen geliefert werden, die dazu verwendet werden können, die Qualität der Papierbahn,
die durch das Papierherstellungssystem hergestellt wird, zu überwachen
und zu steuern. Um diesen Sensor dafür zu verwenden, das Gewicht
an Fasern in einem Papierstoffgemisch durch Messen seiner Leitfähigkeit
zu ermitteln, befindet sich der Papierstoff in einem Zustand, wo
alles oder das meiste Wasser durch die Faser gespeichert wird. In
diesem Zustand steht das Wassergewicht des Papierstoffs in direktem
Verhältnis
zum Fasergewicht, und die Leitfähigkeit
des Wassergewichts kann gemessen und dafür verwendet werden, das Gewicht der
Faser in dem Papierstoff zu bestimmen.
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Während des
anfänglichen
Betriebes des Systems, wie in 1 veranschaulicht,
wird Nassstoff in der Nasspartie teilweise entwässert, wodurch ein teilweise
entwässertes
Produkt 91 entsteht. In dieser Anfangsphase wird das teilweise
entwässerte Produkt 91 zur
Wiederverwertung aufgefangen. Nachdem dieser anfängliche Prozess beendet ist, tritt
das teilweise entwässerte
Produkt 91 in den Trockenpartieprozess ein, dessen Ergebnis
fertiges Papier ist, das auf der Rolle 4 aufgenommen wird.
Ein Abtastsensor 14 misst das Basisgewicht in der Trockenpartie,
um zu bestätigen,
dass die Prozessparameter korrekt ausgewählt wurden.
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Während der
Anfangsphase misst eine MR-Anordnung von Sensoren 9A, 9B und 9C das Wassergewicht
in der Nasspartie und übermittelt
Signale an einen Computer 160, der kontinuierlich Wassergewichtsprofile
des Nasspartieprozesses erstellt. Diese gemessenen Wassergewichtsprofile
werden mit dem Basis- oder optimalen Wassergewichtsprofil verglichen,
das für
die konkrete herzustellende Papiersorte aus einer Datenbank ausgewählt wurde. 4 ist
eine Kurvendarstellung des Wassergewichts im Verhältnis zur
Siebposition, was die Implementierung des Prozesses veranschaulicht.
Wie gezeigt, stellt die Kurve A ein Basis- oder optimales Profil
dar, das im Voraus aus der Datenbank für die herzustellende Papiersorte
ausgewählt
wurde. Während der
Anfangsphase werden Wassergewichtsmessungen an dem Sieb durch die
MR-Anordnung von Sensoren vorgenommen, und anhand der Messungen wird
unter Verwendung standardmäßiger Kurvenanpassungsverfahren
die Kurve B erzeugt.
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Wie
zu sehen ist, sind in diesem Fall die gemessenen Wassergewichtswerte
höher als
jene des Basisprofils. Infolge dessen übermittelt der Computer entsprechende
Signale an die Steuerung 21, die die mechanischen Elemente
in dem Refiner regulieren, zum Beispiel den Refinerplattenabstand
in dem Refiner 20 vergrößern oder
verkleinern, der außerdem mit
einem Tachometer zum Messen der Motordrehzahl ausgestattet ist.
Dieses Kurvenvergleichsverfahren wird fortgesetzt, bis das gemessene
Wassergewichtsprofil mit dem im Voraus ausgewählten optimierten Profil übereinstimmt.
In der Praxis ist eine einhundertprozentige Übereinstimmung weder erforderlich
noch erreichbar, und der Abweichungsgrad kann durch den Maschinenbediener
eingestellt werden. Es versteht sich daher, dass der Begriff "Übereinstimmung" oder "übereinstimmen" impliziert, dass das
gemessene Wassergewichtsprofil den gleichen oder ungefähr den gleichen
Wert hat wie das im Voraus ausgewählte Wasserbasisgewichtsprofil.
Wir bleiben bei 4. Eine bevorzugte Ausführungsform des
Vergleichens der gemessenen Wassergewichtswerte mit jenen des Basisprofils
beinhaltet das Vergleichen der drei Messungen an den Positionen
x, y und z für
jedes Profil anstatt der beiden Kurven. Des Weiteren kann es je
nach der Papiersorte sein, dass Messungen, die näher an der Trockenlinie an
der Position z liegen, signifikanter sind als jene in der Nähe des Stoffauflaufkastens
an Position x. In diesem Fall kann der Maschinenbediener einen höheren Grad
an Übereinstimmung
an Position z als an Position x vorgeben. Nachdem die richtige Refinerbeladung
erreicht ist, d. h. wenn das gemessene Profil mit dem Basisprofil übereinstimmt,
wird der Trockenpartieprozess aktiviert, und das fertige Produkt
wird hergestellt. Der Computer wird dafür verwendet, die richtige Refinerbeladung
beizubehalten. Wenn also die gemessenen Wassergewichtswerte höher sind
als jene des Basisprofils, so übermittelt
der Computer 160 entsprechende Signale an die Steuerung 21,
die die Beladung des Refiners ändern.
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Das
Steuersystem ist besonders für
den Fall eines Bahnrisses geeignet, wenn der Prozess viel dynamischer
ist, wobei es nur wenige Verfahren zum Überwachen der Stabilität und des
Status der Nasspartie der Papiermaschine gibt. Während eines Papierrisses erhält das Steuersystem
ein stabiles Entwässerungsmodell
aufrecht, um zu gewährleisten, dass
die Bildung und die Gesamtqualität
der Bahn sich nicht erheblich verschlechtern. Dabei behält das Steuersystem
eine Bahnqualität
bei, die es leichter macht, das Papier während des Endes eines Bahnrisszustandes
selbst angesichts der veränderten
Abfallmaterialwerte in den Prozess einzufädeln. In der Regel wird die
Refinerbeladung verringert, wenn der Abfallmaterialfluss verstärkt wird,
um das Entwässerungsmodell
beizubehalten.
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Aufbau des USWG-Sensors
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2 zeigt
einen Leitfähigkeits-
oder Widerstandsmesssensor, der in der
US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/766,864 ,
die
US 5891306 entspricht,
beschrieben ist, der die Leitfähigkeit
oder den Widerstand des Wassers in dem Papierstoff misst. (Der Sensor
kann auch die Dielektrizitätskonstante
und die Nähe
von Material, beispielsweise Nassstoff, zu dem Sensor messen.) Eine
Sensoranordnung enthält
zwei längliche
geerdete Elektroden
24A und
24B und eine segmentierte
Elektrode
24C. Messzellen (Zelle 1, Zelle 2,..., Zelle
n) enthalten jeweils ein Segment der Elektrode
24C und
einen entsprechenden Abschnitt der geerdeten Elektroden (
24A und
24B)
gegenüber
dem Segment. Jede Zelle detektiert die Leitfähigkeit des Papierstoffs und
insbesondere den Wasseranteil des Papierstoffs, der sich in dem
Raum zwischen dem Segment und seinen entsprechenden gegenüberliegenden
Abschnitten der geerdeten Elektrode befindet. Obgleich die Sensoranordnung
mehrere Zellen aufweisen kann, versteht es sich, dass jeder USWG-Sensor
nur eine einzige Zellenstruktur erfordert, zum Beispiel Zelle
2 von
2.
Auch wenn der bevorzugte Detektor drei Elektroden aufweist, von
denen zwei geerdet sind, beträgt
die erforderliche Anzahl an Elektroden praktisch nur zwei, wobei
eine geerdet ist.
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Jede
Zelle ist unabhängig über ein
Impedanzelement Zfest an eine Eingangsspannung (Vin) vom Signalgenerator 25 gekoppelt,
und jede gibt eine Ausgangsspannung an den Spannungsdetektor 26 am
Bus Vout ab. Der Signalgenerator 25 stellt Vin bereit.
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Die
Vorrichtung 26 enthält
Schaltungen zum Detektieren von Änderungen
der Spannung von jedem der Segmente in den Elektroden 24C und
jegliche Umwandlungsschaltungen zum Umwandeln der Spannungsänderungen
in Nutzinformationen bezüglich
der physikalischen Eigenschaften des wässrigen Gemischs. Eine optionale
Rück kopplungsschaltung 27 enthält eine
Referenzzelle mit ähnlich
konfigurierten Elektroden wie eine einzelne Zelle innerhalb der Sensoranordnung.
Die Referenzzelle arbeitet so, dass sie auf andere unerwünschte Änderungen
von physikalischen Eigenschaften des wässrigen Gemisches als die physikalische
Eigenschaft des wässrigen
Gemischs, die durch die Anordnung gemessen werden soll, reagiert.
Wenn der Sensor zum Beispiel Spannungsänderungen infolge von Gewichtsveränderungen
detektiert, so ist die Referenzzelle so konfiguriert, dass das Gewicht
konstant bleibt. Folglich sind jegliche Spannungs- oder Leitfähigkeitsveränderungen,
die die Referenzzelle aufweist, die Folge anderer physikalischer
Eigenschaften des wässrigen Gemischs
als Gewichtsänderungen
(wie beispielsweise Temperatur und chemische Zusammensetzung). Die
Rückkopplungsschaltung
benutzt die von der Referenzzelle erzeugten Spannungsänderungen zum
Erzeugen eines Rückkopplungssignals
(Vrückkopplung)
zum Kompensieren und Justieren von Vin für diese unerwünschten Änderungen
von physikalischen Eigenschaften des wässrigen Gemisches (die weiter
unten noch näher
beschrieben werden). Es ist außerdem
zu beachten, dass die nicht-gewichtsbezogenen Informationen über die
Leitfähigkeit
des wässrigen
Gemischs, die von der Referenzzelle geliefert werden, ebenfalls
nützliche
Daten für
den Bahnherstellungsprozess darstellen können.
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Die
Sensoranordnung erfasst drei detektierte physikalische Eigenschaften
des Materials: die Leitfähigkeit
oder den Widerstand, die Dielektrizitätskonstante und die Nähe des Materials
zum Sensor. Je nach dem Material herrschen eine oder mehrere dieser
Eigenschaften vor. Die Materialkapazitanz hängt von der Geometrie der Elektroden,
der Dielektrizitätskonstante
des Materials und seiner Nähe
zum Sensor ab. Für
ein reines dielektrisches Material ist der Widerstand des Materials
zwischen den Elektroden unendlich (d. h. Rm = ∞), und der Sensor misst die
Dielektrizitätskonstante
des Materials. Alternativ ist für ein
hochleitfähiges
Material der Widerstand des Materials weit geringer als die kapazitive
Impedanz (d. h. Rm « ZCm), und der Sensor misst die Leitfähigkeit
des Materials.
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3 veranschaulicht
einen Schaltplan einer Messvorrichtung, die Zellen 1-n der Sensoranordnung 24 zum
Messen der Leitfähigkeit
eines wässrigen
Materials enthält.
Wie gezeigt, ist jede Zelle an Vin vom Signalgenerator 25 über ein
Impedanzelement gekoppelt, das bei dieser Ausführungsform ein Widerstandselement
Ro ist. Wenden wir uns Zelle n zu. Der Widerstand Ro ist mit dem
mittleren Segment 24D(n) verbunden, und die Abschnitte 24A(n) und 24B(n) (gegenüber dem
Segment 24D(n)) sind geerdet. Des Weiteren sind in 3 Widerstände Rs1
und Rs2 gezeigt, welche die Konduktanz des wässrigen Gemisches zwischen
den Segmenten und den geerdeten Abschnitten darstellen. Die Widerstände Ro,
Rs1 und Rs2 bilden ein Spannungsteilernetzwerk zwischen Vin und
Erde.
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Die
in 3 gezeigte Messvorrichtung basiert auf dem Konzept,
dass die Leitfähigkeit
des Spannungsteilernetzwerks Rs1 und Rs2 des wässrigen Gemischs und das Gewicht
oder die Menge an wässrigem
Gemisch umgekehrt proportional sind. Folglich nimmt bei zunehmenden
bzw. abnehmendem Gewicht die Kombination aus Rs1 und Rs2 ab bzw.
zu. Änderungen
bei Rs1 und Rs2 verursachen entsprechende Schwankungen bei der Spannung Vout
gemäß Vorgabe
durch das Spannungsteilernetzwerk. Die Spannung Vout von jeder Zelle
wird in den Detektor 26 eingespeist. Darum werden Veränderungen
der Spannung, die zu Veränderungen
der Leitfähigkeit
des wässrigen
Gemischs umgekehrt proportional sind, durch den Detektor 26 detektiert, wodurch
Informationen bezüglich
des Gewichts und der Menge des wässrigen
Gemischs in der allgemeinen Nähe über jeder
Zelle erzeugt werden. Der Detektor 26 enthält des Weiteren
in der Regel noch weitere Schaltungen zum Umwandeln der Ausgangssignale
von der Zelle in Informationen, die bestimmte Charakteristika des
wässrigen
Gemischs darstellen.
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3 zeigt
außerdem
eine Rückkopplungsschaltung 27,
die eine Referenzzelle 28 und einen Rückkopplungssignalgenerator 29 enthält. Das
Konzept der Rückkopplungsschaltung 27 besteht
darin, eine Referenzzelle so zu isolieren, dass auf sie andere Änderungen
physikalischer Eigenschaften des wässrigen Gemischs als die physikalische
Eigenschaft, die durch das System erfasst werden soll, einwirken.
Wenn beispielsweise das Gewicht erfasst werden soll, so wird das
Gewicht konstant gehalten, so dass jegliche Spannungsänderungen,
die durch die Referenzzelle erzeugt werden, das Ergebnis anderer
physikalischer Eigenschaften als Gewichtsänderungen sind. Bei einer Ausführungsform
ist die Referenzzelle 28 in ein wässriges Gemisch aus recyceltem
Wasser getaucht, das die gleichen chemischen und Temperatureigenschaften
wie das Wasser hat, in das die Sensoranordnung 24 getaucht
ist. Somit werden jegliche die Leitfähigkeit beeinflussenden chemischen
oder Temperaturänderungen,
die auf die Anordnung 24 einwirken, auch von der Referenzzelle 28 erfasst.
Des Weiteren ist die Referenzzelle 28 so konfiguriert,
dass das Gewicht des Wassers konstant gehalten wird. Infolge dessen
sind Spannungsänderungen
Vout(Referenzelle), die durch die Referenzzelle 28 erzeugt
werden, die Folge von Veränderungen
der Leitfähigkeit
des wässrigen
Gemischs, die durch andere Eigenschaftenänderungen als des Gewichts
hervorgerufen werden. Der Rückkopplungssignalgenerator 29 wandelt
die unerwünschten
Spannungsänderungen,
die von der Referenzelle erzeugt werden, in ein Rückkopplungssignal
um, das Vin entweder erhöht
oder verringert und dadurch den Einfluss fehlerhafter Spannungsänderungen
auf das Sensorsystem eliminiert. Wenn beispielsweise die Leitfähigkeit
des wässrigen Gemischs
in der Anordnung infolge eines Temperaturanstiegs zunimmt, so nimmt
Vout(Referenzelle) ab, was zu einer entsprechenden Zunahme des Rückkopplungssignals
führt. Ein
Erhöhen
von Vrückkopplung
erhöht
Vin, was wiederum den anfänglichen
Anstieg der Leitfähigkeit
des wässrigen
Gemischs infolge der Temperaturänderung
kompensiert. Infolge dessen ändert
sich Vout von den Zellen nur, wenn sich das Gewicht des wässrigen
Gemischs ändert.
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Das
oben Dargelegte hat die Prinzipien, bevorzugte Ausführungsformen
und Ausführungsweisen
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht
so zu verstehen, als sei sie auf die konkreten besprochenen Ausführungsformen
beschränkt.
Darum sind die oben beschriebenen Ausführungsformen als veranschaulichend
und nicht als einschränkend
anzusehen, und es versteht sich, dass durch einen Fachmann Änderungen
an diesen Ausführungsformen
vorgenommen werden können, ohne
dass der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den
folgenden Ansprüchen
definiert ist, verlassen wird.