FI109378B - Menetelmä ja laite paperin kartongin käsittelyssä käytettävän seoksen tai sen aineosan ominaisuuksien mittaamiseksi - Google Patents

Description

109378

Menetelmä ja laite paperin tai kartongin käsittelyssä käytettävän seoksen tai sen ainesosan ominaisuuksien mittaamiseksi

Keksinnön kohteina ovat patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä ja 5 patenttivaatimuksen 9 johdannon mukainen laite.

Tämänkaltaisia menetelmiä ja laitteita voidaan käyttää paperin tai kartongin käsittelyssä käytettävien seosten tai niiden ainesosien ominaisuuksien määrittämiseen. Tällaisia seoksia ovat esim. täyteaineseokset, päällysteseokset, kuten pastat tai pigmenttilietteet, sekä päällysteseoksen valmistuksessa käytettävät pigmenttilietteet. Määritettäviä mitatta-10 van seoksen ominaisuuksia ovat esim. lämpötila, tiheys, kuiva-ainepitoisuus (KAP), vapaa kaasupitoisuus, liuennut kaasupitoisuus, viskositeetti, leikkausjännitys ja yield-point. Myös muut seoksen Teologiaa kuvaavat suureet voivat tulla kyseeseen.

Päällysteseoksen ominaisuuksista erityisen tärkeitä ovat viskositeetti, kuiva-ainepitoisuus ja kaasupitoisuus. Kaasupitoisuutta kutsutaan monesti myös ilmapitoisuudeksi, koska 15 päällysteseokseen sekoittunut kaasu on pääasiallisesti ilmaa. Mittaamalla saatua tietoa voidaan käyttää esim. päällystysprosessin tai päällysteseoksen valmistusprosessin ohjaamiseen. Ohjattavia parametreja voivat olla esim. päällysteseokseen sekoitettavan ... laimennusliuoksen määrä, päällysteseoksen koostumus tai ilmanpoistolaitteen teho.

* · ! Päällysteseoksen ominaisuudet vaikuttavat lopullisen päällystekerroksen laatuun. Esim.

20 päällystysseoksen viskositeetti vaikuttaa koko päällystysprosessiin. Päällysteseoksen . . viskositeetti vaikuttaa seoksen virtausominaisuuksiin päällystyslaitteiden sisällä ja siten ,··,·. myös itse päällystimen toimintaan. Viskositeetti vaikuttaa myös applikoitavan kerroksen • » · paksuuteen ja lopulliseen päällysteen laatuun. Jo suhteellisen pienet päällysteseoksen ; y. muutokset voivat vaikuttaa seoksen viskositeettiin ja siten päällystystulokseen. Vis- : ‘ ’: 25 kositeettiin voidaan puolestaan vaikuttaa seossuhteiden ja seoskomponenttien avulla.

';!.' Saavutettavaan päällysteen laatuun vaikuttaa myös päällysteseoksen kaasupitoisuus. Liian • ’ korkeasta päällysteseoksen kaasupitoisuudesta seuraa laatuongelmia, ja se voi aiheuttaa ; ·* myös seossäiliöiden vaahtoamista. Näiden ongelmien välttämiseksi päällystimien 109378 2 konekierrossa käytetäänkin yleisesti esim. keskipakovoimaan perustuvia ilmanpoistimia tai vaahdonestokemikaaleja. Tehokkaaseen kaasunpoiston ohjaukseen tarvittaisiin kaasupitoisuusmittari.

Tunnetun tekniikan mukaisesti päällysteseoksen ominaisuuksia on määritetty ottamalla 5 käytettävästä päällysteseoksesta näytteitä ja analysoimalla niitä laboratoriossa. Tällaisessa menettelyssä on ongelmana se, että näytteenoton ja analysointitulosten saamisen väliin jää useimmiten niin pitkä viive, että päällysteseoksen ominaisuudet ehtivät tänä aikana muuttua. Otettaessa näytteitä päällystyslaitteiston konekierrosta yhtenä vaikeutena on myös näytteessä olevan kaasun vapautuminen ympäristöön ennen näytteen analysointia.

10 Tällaiset nk. off-line -menetelmät eivät ole muutenkaan käytännöllisiä pyrittäessä vähentämään päällysteseoksen ominaisuuksien lyhytaikaisia vaihteluita. Off-line -mittausmenetelmiä ja päällysteseosten ominaisuuksia on kuvattu esim. julkaisussa I.

Roitto, T. Järvensivu ja J. Koskinen: “The Significance of Deaeration in the Coating Process”, PTS Streicherei Symposium 97.

15 Em. julkaisussa on myös esitetty, että päällysteseoksen tiheys voidaan mitata on-line -tyyppisen mittauksen avulla käyttämällä massavirtamittaria. Mikäli mittaus tehdään kahdessa sopivan suuruisessa paineessa, päällysteseoksen kaasupitoisuus voidaan myös määrittää.

• I

» · j : '* Julkaisussa R. Rauch, R. Sangl, H.-H. Hofer ja J. Weigl: “Gase in Streichfarben - 20 Auswirkungen auf Lauf- und Qualitätseigenschaften”, PTS Streicherei Symposium 97, on puolestaan esitetty nk. on-line -menetelmä päällysteseoksen kaasupitoisuuden !.! mittaamiseksi. Tässä menetelmässä päällystimen konekierrosta johdetaan putkistoa pitkin päällysteseosnäyte mittauskammioon, johon on kytketty lämpötila- ja paineanturit. Mittauskammioon liittyvät myös askelmoottori ja mäntä, joiden avulla kammion » * · . ·: *. 25 sisätilavuutta voidaan muuttaa. Lisäksi askelmoottorin tilasta voidaan määrittää mittaus- . ‘. f kammio sisätilavuus. Kun päällysteseoksen paineja lämpötila on mitattu ainakin kahdella ,·*·, eri mittauskammion tilavuudella, päällysteseoksen kaasupitoisuus voidaan laskea ’, tunnetuista yhtälöistä. Mittauksen jälkeen mitattu näyte voidaan johtaa takaisin konekier- ! ’ ’. toon ja mittauskammio voidaan huuhdella.

109378 3

Lisäksi tunnetaan päällysteseoksen viskositeetin mittaaminen on-line -tyyppisesti. Viskositeetin mittaamiseen on tunnetussa tekniikassa esitetty useita eri menetelmiä. Päällysteseoksen viskositeetin mittaamiseen erityisen edullisesti soveltuva menetelmä on kapillaarimittausmenetelmä. Tässä menetelmässä viskositeetti lasketaan kapillaariputken 5 läpi johdettavan seosvirran kapillaariputken yli aiheuttamasta paine-erosta, joka mitataan esim. paine-erolähettimen avulla.

Tunnetun tekniikan puutteena on se, että haluttaessa mitata monipuolisesti päällysteseoksen ominaisuuksia, joudutaan konekiertoon liittämään useita erillisiä mittalaitteita. Tämä on hankalaa ja johtaa helposti siihen, että mittaustietoja ja mittausten tarkkuutta on 10 vaikea hallitta. Tällaisessa jäqestelmässä voidaan myös joutua mittaamaan samoja suureita useaan kertaan eri mittausten yhteydessä. Erillisiä mittalaitteita käytettäessä on ongelmana myös se, että mitattavan seoksen koostumus voi vaihdella eri mittauspisteiden välillä. Tunnetussa tekniikassa ei ole myöskään esitetty on-line -tyyppistä menetelmää päällysteseoksen kuiva-ainepitoisuuden määrittämiseksi.

15 Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatut puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä ja laite päällysteseoksen ominaisuuksien mittaamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että päällystimen, päällystysseoksen valmistuslaitteen tai :: vastaavan konekierrosta johdetaan mitattavaa seosta sivuun näytevirtana tai erillisinä ! · näytteinä. Näytevirta tai näytteet johdetaan putkistoon ja tätä pitkin mittalaitteille, joilla

« I » t I

* ‘ 20 voidaan mitata tarvittavat suureet ainakin seoksen tiheyden, viskositeetin, kuiva-ainepi- t f r t toisuuden ja kaasupitoisuuden määrittämiseksi. Keksintö perustuu myös siihen, että • » ;,; mittalaitteet yhdistetään yhteiseen ohjausyksikköön. Keksinnön mukaan seosta mitataan ' sekä matalassa paineessa että riittävän korkeassa paineessa, jossa päällysteseoksen 25 sisältämä ilma olennaisesti liukenee ja puristuu kokoon, jolloin voidaan mitata • -1 päällysteseoksen ilmaton tiheys.

; ,· Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle \ laitteelle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 9 !" 30 tunnusmerkkiosassa.

j Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

109378 4

Keksinnön avulla voidaan määrittää viskositeetti, kuiva-ainepitoisuus ja kaasupitoisuus yhtenäisellä järjestelmällä yksien konekiertoon tehtävien liitäntöjen kautta.

Keksinnön edullisessa sovellusmuodossa on lisäetuna se, että mittausantureiden määrää voidaan vähentää verrattuna erillisillä mittalaitteilla tehtyihin mittauksiin. Tämä johtuu 5 siitä, että yhteisen ohjausjärjestelmän vuoksi jo mitattuja suureita voidaan käyttää hyväksi toisia suureita määritettäessä, eikä esim. painetta tai lämpötilaa tarvitse mitata joka mittalaitteessa erikseen. Tällöin voidaan myös edullisesti päästä parempaan mittaustarkkuuteen.

Mikäli keksinnön yhteydessä käytetään kapillaarityyppistä viskositeettimittausta, on 10 edullisessa sovellusmuodossa lisäetuna se, että toisten suureiden mittauksessa tarvittavia painemittauksia voidaan käyttää hyväksi viskositeettimittauksessa asettamaan viskositeet-timittarin paine-erolähettimen mittausalue sopivaan arvoon. Tällä menettelyllä voidaan olennaisesti parantaa mittaustarkkuutta.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa tarkastelemaan esimerkkien avulla ja oheiseen piirus-15 tukseen viitaten.

Piirustus esittää yhden keksinnön mukaisen laitteen virtauskaaviota.

t t > » : \ Piirustuksen kuvaamassa esimerkissä laite on kytketty paperin- tai kartonginpäällystys- .; : laitteeseen, joten mitattava seos on päällysteseosta. Esimerkissä kuvattua laitetta ja : ’: menetelmää voidaan kuitenkin aivan yhtä hyvin soveltaa myös muiden, ominaisuuksil- : Y: 20 taan samankaltaisten seosten, kuten pigmenttilietteiden, ominaisuuksien mittaamiseen.

» « · I I ·

Piirustuksessa on kuvattu päällystimen konekiertoon kuuluva putki 1, jota pitkin pastaa :Y: tai pigmenttilietettä johdetaan päällystimen applikointiosille. Putkeen 1 on liitetty : sisääntulokanava 2 päällysteseosnäytteen johtamiseksi mittalaitteeseen. Sisään tulo- ; ; ; kanavassa 2 on venttiilit 3, joilla päällysteseosvirta mittalaitteeseen voidaan haluttaessa :"': 25 sulkea. Putkeen 1 on liitetty myös poistokanava 4, jota pitkin päällysteseosnäyte voidaan , johtaa mittalaitteelta takaisin putkeen 1. Poistokanavassa 4 on myös venttiilit 5, joiden '. : avulla se voidaan sulkea.

109378 5

Varsinainen mittalaite käsittää seoskanavan 6, jota pitkin päällysteseosnäytteet tai näytevirta johdetaan mittalaitteen lävitse tulokanavasta 2 poistokanavaan 4. Seos-kanavaan 6 on sijoitettu pumppu 7, jota käyttää säädettävä sähkömoottori 8. Sähkömoottoria 8 puolestaan ohjataan virransyöttö- ja ohjauslaitteiden 9 avulla. Pumpun 7 jälkeen 5 seoskanavaan 6 on sijoitettu lämpötila-anturi 10, jonka avulla mitataan päällysteseoksen lämpötilaa. Lämpötila-anturi 10 on yhdistetty lämpötilalähettimeen 11. Lämpötila-anturin 10 jälkeen seoskanavaan 6 on sijoitettu ensimmäinen paineanturi 12 ja tähän liittyvä painelähetin 13, joiden avulla voidaan puolestaan mitata päällysteseoksen painetta anturin 12 kohdalla.

10 Seuraavana seoskanavassa 6 on tiheysmittari ja massa- tai tilavuusvirtamittari, jotka piirustuksessa sisältyvät yhteen laitteeseen. Laitteessa on mittapää 14 ja tiheyden ja massa- tai tilavuusvirran mittausyksikkö 15. Mittapään 14 jälkeen seoskanavassa 6 seuraa toinen paineanturi 16, jonka avulla voidaan mitata päällysteseoksen paine tiheys- ja virtausmittarin jälkeen. Toinen paineanturi 16 on yhdistetty mittaus-ja säätölaitteeseen 15 17. Paineanturin 16 jälkeen kanavassa 6 seuraa viskositeettimittari. Piirustuksessa viskositeettia mitataan kapillaarimenetelmällä, jolloin viskositeettimittari käsittää kapillaarin 18, paine-erolähettimen 19 sekä lähelle kapillaarin 18 ensimmäistä ja toista päätä asennetut mittausyhteet 20 kapillaarin 18 ensimmäisessä ja toisessa päässä vallitsevien päällysteseoksen paineiden välittämiseksi paine-erolähettimelle 19. Viskositeettimit- :! ’: 20 tarin jälkeen seoskanavassa 6 on vielä säätöventtiili 21, jonka avulla voidaan muuttaa I * • ' · päällysteseoksen virtausvastusta ja tätä kautta painetta seoskanavassa 6. Säätöventtiiliä 21 ' ’ ” ’ ohjataan mittaus- ja säätölaitteella 17, joka toisaalta tarkkailee seoskanavan 6 painetta * •« » * · ‘ ' paineanturin 16 välityksellä. Lisäksi piirustuksessa on esitetty seoskanavaan 6 asennettuja • · · ‘' tyhjennysventtiilejä 22 sekä laiterunko 23.

25 Mittalaite käsittää myös ohjaus- ja laskentajäijestelmän, jota ei ole esitetty piirustuksessa.

t t ·

Ohjaus- ja laskentajärjestelmä on yhdistetty esim. kaapeleiden välityksellä ainakin sähkömoottorin 8 virransyöttö- ja ohjauslaitteisiin 9, lämpötilalähettimeen 11, painelähet-: timeen 13, tiheyden ja massa- tai tilavuusvirran mittausyksikköön 15, mittaus- ja säätölaitteeseen 17 sekä paine-erolähettimeen 19. Ohjaus- ja laskentajäijestelmän 30 tehtävänä on ohjata em. laitteita ja/tai kerätä niiltä tietoa sekä laskea kerätyn tiedon 109378 6 perusteella haluttuja päällysteseoksen ominaisuuksia. Näiden toimintojen toteuttamista on kuvattu tarkemmin jäljempänä. Ohjaus- ja laskentajärjestelmän tehtävänä on myös muodostaa kommunikaatioyhteys mittalaitteen ja ympäristön välille. Tätä tarkoitusta varten ohjaus- ja laskentajärjestelmään voidaan liittää esim. näppäimistö, kytkimiä, 5 näyttöruutu ja/tai tietokoneliitäntä.

Putki 1, josta mitattavat näytteet tai näytevirta otetaan voi periaatteessa olla mikä tahansa putki tai säiliö, joka sisältää mitattavaksi soveltuvaa ainetta. Haluttaessa mitata paperin-tai kartonginpäällystyksessä käytettävän päällysteseoksen ominaisuuksia sijoitetaan sisääntulokanava 2 edullisesti applikointiosille päällysteseosta vievään putkeen ilmanpois-10 timen jälkeen. Tällöin on mahdollista mitata tarkasti myös päällysteseoksen lopullinen ilmapitoisuus. Poistokanava 4 puolestaan liitetään edullisesti myös putkeen 1, jolloin mittalaitteen läpi kiertänyt päällysteseos voidaan käyttää hyväksi päällystyksessä. Poistokanava 4 sijoitetaan edullisesti putken 1 virtaustiessä sisääntulokanavan 2 jälkeen.

Itse sisääntulokanava 2 ja poistokanava 4 voivat olla esim. paineenkestävää letkua.

15 Seoskanava 6 puolestaan voi olla valmistettu esim. metalliputkesta, jonka sisäläpimitta on noin 5-25 mm.

Pumppu 7, sähkömoottori 8 ja näiden virransyöttö- ja ohjauslaitteet 9 tulee valita siten, että päällysteseoksen virtaus ja paine voidaan asettaa kullekin mittaustilanteelle sopiviin .···. arvoihin pumpun 7 kierrosnopeutta muuttamalla. Paineen asettamisessa käytetään 20 hyväksi myös säätöventtiilin 21 avulla muutettavaa virtausvastusta. Päällysteseoksen •:' ·: ilmapitoisuutta mitattaessa seoksen paine tiheysmittarin 15 mittapäässä 14 tulee voida : ·.: asettaa vuoroin sekä matalaan että riittävän korkeaan arvoon. Matalampi paine, jossa v,: mitataan ilmakuplia sisältävän seoksen tiheys, voi olla esim. 0,5 - 3 bar. Suuremman v : paineen tulee puolestaan olla riittävän suuri, jotta päällysteseoksen sisältämä ilma 25 olennaisesti liukenee ja puristuu kokoon, jolloin voidaan mitata päällysteseoksen ilmaton ' ‘ ‘ tiheys. Tarvittava paine riippuu mm. seoksen kyvystä liuottaa ilmaa tai muuta seoksessa ’ olevaa kaasua sekä seoksen sisältämän ilman määrästä. Tarkemmin ilmakuplien vaikutus- :.: : ta mittaukseen on kuvattu artikkelissa M. Mäkinen, “Metering Density, Dry Solids and

Air Content of Coating in Supply Systems”, 1996 International Paper and Coating 30 Chemistry Symposium, Ottawa, 11.-13.6.1996. Esimerkkinä voidaan sanoa, että 109378 7 suurempi paine on noin 10 - 30 bar ja mieluiten aina vähintään 6 bar. Tyypillisesti mittauksissa tarvittavat päällysteseoksen virtaukset ovat välillä 0-20 1/min. Muita tyypillisiä virtausta kuvaavia arvoja ovat esim. seoksen leikkausnopeus viskositeettimitta-rin kohdalla 1 -10 000 1/s, Reynoldsin luku 0 - 3000 ja Deanin luku 0 - 30.

5 Lämpötila-anturi 10 ja lämpötilalähetin 11 valitaan siten, että päällysteseoksen lämpötila voidaan mitata riittävällä tarkkuudella. Tarvittava mittausalue on päällysteseoksen tyypillinen lämpötila-alue eli noin 10 - 80 °C. Lämpötila-arvoa tarvitaan kuiva-ainepitoisuutta laskettaessa määrittämään veden ja tarvittaessa myös kuiva-aineen todellinen tiheys seoksen tiheysmittauksen aikana.

10 Ensimmäisen ja toisen paineanturin 12, 16 sekä näihin liittyvien painelähettimen 13 ja mittaus- ja säätölaitteen 17 tulee puolestaan soveltua päällysteseoksessa vallitsevan paineen mittaamiseen. Painearvoja käytetään päällysteseoksessa tiheysmittarin sisällä vallitsevan paineen määrittämiseen. Tiheysmittarin sisällä vallitsevaa painetta puolestaan käytetään ilma- tai kaasupitoisuuden laskemiseen. Painearvoa käytetään luonnollisesti 15 hyväksi myös pumpun 7 ja säätöventtiilin 21 ohjauksessa. Paineantureiden 12, 16 tarvitsema toiminta-alue on tyypillisesti 0,1 - 30 bar.

Tiheysmittari ja massa- tai tilavuusmittari voivat olla mitä tahansa soveltuvaa tyyppiä | ,,, olevat erilliset mittalaitteet. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää mittalaitetta, jolla voidaan .' mitata molemmat halutut suureet. Tiheysmittaukseen voidaan käyttää esim. menetelmää, • · ] _ . 20 joka perustuu putkessa olevan seoksen hydrostaattisen paineen mittaamiseen kahdella eri ,,,,: korkeudella olevissa pisteissä. Tiheyttä voidaan myös mitata esim. mikroaaltojen tai .·.·. radioaktiivisen säteilyn käyttöön perustuvilla menetelmillä. Tilavuusvirtaa voidaan puolestaan mitata esim. magneettisella tilavuusvirtamittarilla. Yksi erittäin edullinen mittausperiaate on Coriolis-mittaus, jossa voidaan yhdistää sekä massavirran että : V: 25 tiheyden mittaaminen. Coriolis-periaatteella toimivassa mittalaitteessa mittapää 14 v : käsittää ainakin yhden virtausputken sekä laitteet, joilla kukin virtausputki voidaan j ; ‘; saattaa värähtelemään ominaisvärähtely taajuudellaan. Mittapää käsittää myös detektorit, joilla virtausputken taipumaa voidaan mitata. Mittauksen aikana virtausputken läpi . . ·. johdetaan mitattavaa seosta, joka virtausputken värähdellessä aiheuttaa putken liikettä 109378 8 vastustavia voimia. Nämä voimat taivuttavat virtausputkea tai virtausputkia, ja taipuma mitataan detektoreilla. Detektorien mittaama taipuma johdetaan Coriolis-mittarin mittausyksikköön 15, jossa lasketaan taipumaa vastaava massavirta. Virtausputkessa olevan seoksen tiheys voidaan puolestaan hyvällä tarkkuudella määrittää värähtelevän, 5 niitattavalla seoksella täytetyn virtausputken ominaisvärähtelytaajuudesta ja virtausputken sisätilavuudesta. Tämä perustuu siihen, että virtausputken täyttävän seoksen massa vaikuttaa virtausputken ominaisvärähtelytaajuuteen. Mitattavien päällysteseosten tiheydet vaihtelevat tyypillisesti välillä 900 - 2000 kg/m3 ja mittalaitteessa voidaan käyttää suuruudeltaan esim. 0-5 kg/s olevia massavirtoja.

10 Mitattavan seoksen tiheysmittaukset kaasupitoisuuden laskentaa varten tehdään Coriolis-mittaria käytettäessä esim. seuraavalla tavalla: - Johdetaan mittapään 14 virtausputken läpi päällysteseosta pyörittämällä pumppua 7 sellaisella kierrosnopeudella ja ohjaamalla säätöventtiili 21 sellaiseen asemaan, että seoksen paine virtausputkessa on noin 2-3 bar. Virtausputken 15 paine määritetään ensimmäisen ja toisen paineanturin 12, 16 antamien mittaustu- j losten perusteella esim. keskiarvona. Tarvittaessa voidaan käyttää myös soveltu vaa kalibrointikerrointa. Virtausputken aiheuttama painehäviö, joka voi olla välillä 0,1-2 bar, tulee näin otetuksi huomioon. Mittausarvona saadaan tiheys . . pl paineessa P,.

‘ . 20 - Ohjataan pumppua 7 ja säätöventtiiliä 21 siten, että seoksen paine virtausputkes- • » < · · . sa nousee noin 6-10 baariksi, ja mitataan tiheys p2 paineessa P2. Mikäli ei , ·, ·. voida olettaa, että seoksen kaasukuplien tilavuus on tässä paineessa merkitykse- , ·: ·, tön, käytetään suurempaa painetta.

, ·, , - Lasketaan seoksen kaasupitoisuus lx alemmassa paineessa Px sillä oletuksella, . : ·. 25 että kaasukuplien tilavuus paineessa P2 on ollut merkityksetön. Kaasupitoisuus . *. Ij lasketaan kaavasta: » I » I I · 109378 9 I=(J-—)xlOO%. (1) P2 - Tästä voidaan laskea edelleen seosnäytteen kaasupitoisuus /, ilmakehän paineessa 5 P, kaavalla: P2 (2)

Kuiva-ainepitoisuus KAP voidaan puolestaan määrittää päällysteseoksen kuiva-aineen J 10 tiheydestä p^, seoksen korkeassa paineessa mitatusta olennaisesti kaasukuplattomasta tiheydestä p2 ja veden tiheydestä pvesi kaavalla: KAP ~ ^^ ^ves1^ ^2)

». · P2 (Pkuiva PvesJ

Il M· .,,.: 15 Määritettäessä kaavassa 3 tarvittavia tiheysarvoja on huolehdittava siitä, että käytettävät .'.'; Pteva, Pzfa Ρναί kuvaavat riittävällä tarkkuudella tiheyksiä samassa lämpötilassa. Tiheydet :' i': voidaan määrittää esim. seuraavasti: . y. - Mitataan päällysteseoksen tiheys p2 ja otetaan samalla muistiin lämpotilalähetti- : y: meitä 11 mittauksen aikana saatu lämpötila-arvo Tkap· I · · y. ‘ 20 - Määritetään veden tiheys pvesi päällysteseoksen lämpötilassa P/CAP esim. ohjaus- I * • ‘ ja laskentajärjestelmään tallennetun taulukon tai kaavan avulla.

I » I

109378 10 Määritetään kuiva-aineen tiheys /?ωνο esim. laskemalla komponenttiensa tiheyksistä. Tätä laskentaa ei välttämättä tehdä mittalaitteessa, vaan p^ tyypillisesti lasketaan erikseen ja syötetään mittalaitteeseen. Mikäli kuiva-aineen lämpölaa-jenemiskerroin on hyvin pieni, kuiva-aineen tiheyttä ρΜνα määrättäessä ei 5 tarvitse ottaa huomioon tiheyden p2 mittauslämpötilaa.

Viskositeettia voidaan mitata useammalla menetelmällä. Päällysteseosten viskositeettia on mitattu esim. menetelmillä, jotka perustuvat tietynmuotoisten kappaleiden liikkeeseen tai virtausvastukseen seoksessa. Viskositeettia voidaan myös mitata johtamalla seosta muotoiltuun kanavaan ja mittaamalla seoksen virtauskanavassa muodostamaa paine-eroa.

10 Yksi erittäin edullinen menetelmä päällysteseoksen viskositeetin mittaamiseen on nk. kapillaarimenetelmä. Tässä menetelmässä päällysteseosta johdetaan tasapaksun ja suoran kapillaariputken 18 läpi, ja mitataan kapillaariputkessa 18 välimatkan päässä toisistaan olevien mittauspisteiden 20 välille syntyvää paine-eroa. Kapillaarimenetelmä sopii erityisen hyvin päällysteseosten ja niiden ainesosien viskositeetin mittaamiseen siksi, 15 koska tässä menetelmässä ei laitevakioiden lisäksi tarvita mitattaville materiaaleille kalibrointikertoimia. Kalibrointikertoimet aiheuttaisivat mittaukseen huomattavaa epäluotettavuutta, koska esim. päällysteseokset ovat tyypillisesti ei-newtoniaalisia seoksia.

... Viskositeetti voidaan määrittää mittaustuloksista seuraavasti: j ‘ , 20 - Lasketaan leikkausnopeus γ kaavasta: • * * (4) n*rs : .·. jossa Von kapillaariin 18 johdettavan seoksen tilavuusvirta ja r kapillaarin 18 ; ‘ : 25 säde. Mikäli tilavuusvirtaa V ei ole suoraan mitattu, lasketaan se jakamalla . ‘ . mitattu massavirta mitatulla tiheydellä.

109378 11

Lasketaan leikkausjännitys r kaavasta: >- st ™ » 5 jossa Jp on kapillaarista 18 mitattu paine-ero ja AL paine-eron mittauspisteiden välimatka.

Lasketaan viskositeetti η kaavasta: η = - [Pa s] . (6)

Y

10

Edullinen viskositeettimittari käsittää siis kapillaarin 18, paine-erolähettimen 19 sekä kapillaariin 18 lähelle tämän ensimmäistä ja toista päätä asennetut mittausyhteet 20. Käytettävän kapillaarin pituus voi olla esim. 30 cm - 10 m ja virtaustien poikkileikkauk-': sen halkaisija esim. noin 5-25 mm. Tyypillinen paine-ero tällaisen kapillaarin 18 yli voi : .. 15 olla esim. 0,01 - 4 bar. Absoluuttinen paine kapillaarissa 18 voi kuitenkin olla huomatta- ’:"5 vasti suurempi. Paine-erolähettimen 19 sopiva toiminta-alue on esim. 0-30 bar. Koska ': paine-erolähettimen mittausresoluutio on useimmiten verrannollinen käytetyn mittausalu- een leveyteen, mittausalue olisi edullista rajata mahdollisimman suppeaksi. Mittausalueen ’ · ’ rajaaminen on toisaalta vaikeaa, koska paine-erot mittauksissa vaihtelevat suuresti.

* t · ' · ’ · * 20 Paine-erolähettimen mittaustarkkuutta voidaan olennaisesti parantaa käyttämällä paine- •. ’ erolähettimen 19 mittausalueen ohjauksessa hyväksi painelähettimeltä 13 ja mittaus- ja ; i säätölaitteelta 17 saatavaa tietoa tiheys- ja massavirtamittarin 15 mittapään 14 yli ' · · ‘ olevasta paine-erosta. Kun muodostetaan vastaavuus mittapään 14 ja kapillaarin 18 yli ·,·.·' oleville paine-eroille, paine-erolähettimen 19 mittausalue voidaan asettaa mittapään 14 109378 12 yli olevan paine-eron perusteella lasketun oletusarvon ympäristöön. Mittapään 14 ja kapillaarin 18 yli olevien paine-erojen vastaavuus voidaan määrittää esim. kokeellisesti kullekin laitetyypille erikseen. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää soveltuvaa teoreettista mallia tai sijoittaa seoskanavaan 6 virtaussuunnassa kapillaarin 18 jälkeen yksi painemit-5 tari, jonka arvoa paineanturilta 16 saatuun arvoon vertaamalla saadaan arvio kapillaarissa 18 vallitsevalle paine-erolle. Tällaisella menettelyllä voidaan paine-erolähettimen 19 mittausaluetta rajata ja asettaa se aina kulloisenkin todellisen paine-eron kohdalle. Näin voidaan parantaa viskositeettimittauksen tarkkuutta jopa kymmenkertaisesti.

Keksinnön puitteissa voidaan ajatella myös yllä kuvatuista sovellusmuodoista poikkeavia 10 ratkaisuja.

Piirustuksessa on esitetty edullinen mittalaitteiden sijoitusjäijestys käytettäessä kuvatun tyyppisiä mittalaitteita. Esitetyssä järjestyksessä, jossa yhdistetty tiheys- ja massavirta-mittari on sijoitettu ennen kapillaaria on se etu, että tällöin tiheysmittaukseen saadaan tuotettua suurempi mittauspaine pienemmällä pumpun paineella. Tällöin myös kapillaarin 15 paine jää pienemmäksi. Mittalaitteiden järjestys ja tyyppi eivät kuitenkaan rajoita keksintöä, vaan mittalaitteet voidaan sijoittaa keksinnön mukaiseen laitteeseen myös jossakin muussa järjestyksessä. Erityisesti järjestyksen vaihtaminen voi tulla kyseeseen t vaihdettaessa jonkin suureen mittausperiaatetta. Laitteeseen voidaan myös luonnollisesti , · , lisätä muita mittalaitteita lisäsuureiden mittaamista varten.

* I »

Claims (14)

109378 13

1. Menetelmä paperin tai kartongin käsittelyssä käytettävän seoksen tai sen ainesosan ominaisuuksien mittaamiseksi mittalaitteella, jossa menetelmässä 5. otetaan mitattavaa seosta mittalaitteeseen, - mitataan seoksen fysikaalisia suureita ensimmäisessä paineessa, - muutetaan seoksen painetta, - mitataan seoksen fysikaalisia suureita toisessa paineessa, ja - johdetaan seosta pois mittalaitteesta, 10 tunnettu siitä, että - ensimmäisenä paineena käytetään painetta, jossa olennainen osa seoksen sisältämästä kaasusta on kaasukuplina, ja mitataan seoksen ensimmäinen tiheys tällaisessa ensimmäisessä paineessa, - toisena paineena käytetään painetta, jossa olennainen osa seoksen sisältämästä 15 kaasusta on seokseen liuenneena ja/tai olennaisesti kokoon puristuneena, ja mitataan seoksen toinen tiheys tällaisessa toisessa paineessa, ·'. - mitataan seoksen lämpötila, I ; *·· - mitataan seoksen viskositeetti, . - määritetään seoksen kuiva-aineen tiheys, :': *: 20 - määritetään veden tiheys seoksen lämpötilassa, ja ’ ·' * - lasketaan mitattujen ja määritettyjen arvojen perusteella seoksen kuiva-ainepi toisuus. • * t .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan : ‘": 25 päällysteseosta, jota otetaan mittalaitteeseen päällystimen konekierrosta applikointiosien välittömästä läheisyydestä. 109378 14

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että päällys-teseosta johdetaan mittalaitteesta takaisin päällystimen konekiertoon.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan 5 päällysteseoksen valmistuksessa käytettävää pigmenttilietettä, jota otetaan mittalaitteeseen valmistuslaitteesta.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään seoksen tiheys ja tiheyttä vastaava paine siten, että 10. johdetaan seosta Coriolis-tyyppiseen mittalaitteeseen, jossa mitataan seoksen tiheys, - mitataan Coriolis-tyyppiseen mittalaitteeseen johdettavan seoksen sisään-menopaine, - mitataan Coriolis-tyyppisestä mittalaitteesta johdettavan seoksen ulostulopaine, IS - määritetään mitattua tiheyttä vastaava paine sisäänmenopaineen ja ulostulopai- neen avulla.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ‘ . lasketaan mitattujen ensimmäisen ja toisen tiheyden sekä ensimmäisen ja toisen paineen ,.,.: 20 perusteella seoksen kaasupitoisuus.

·' 7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että seoksen viskositeetin määrittämiseksi » » · - johdetaan seosta kapillaariputkeen, : ; ‘; 25 - määritetään kapillaariputkeen johdettavan seoksen tilavuusvirta, ‘ · · · * - mitataan viilaavan seoksen paine-eroa kahden kapillaariputkessa välimatkan ': ‘: päässä toisistaan olevan mittauspisteen välillä ja » · t 109378 15 - lasketaan viskositeetti tilavuusvirran, paine-eron ja kapillaarin mittojen perusteella.

8. Patenttivaatimusten 5 ja 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 virtaavan seoksen paine-eron mittaamista varten - määritetään tiheysmittauksen yhteydessä mitattujen sisäänmenopaineen ja ulostulopaineen avulla sopiva paine-eromittauksen painealue ja - mitataan seoksen paine-eroa määritetyllä painealueella.

9. Laite paperin tai kartongin käsittelyssä käytettävän seoksen tai sen ainesosan ominaisuuksien mittaamiseksi, joka käsittää - laiterungon (23), - laiterunkoon (23) sovitetun seoskanavan (6) mitattavan seoksen johtamiseksi laitteen läpi, • · · J 5 - seoskanavaan (6) sovitetut elimet (7,21) seoksen paineen asettelemiseksi, j a • ** - seoskanavaan (6) sovitetut elimet (10, 11, 12, 13, 16, 17) seoksen paine- ja lämpötila-arvojen mittaamiseksi, • · t u n n e 11 u siitä, että se käsittää - seoskanavaan (6) sovitetun pumpun (7) seoksen kierrättämiseksi seoskanavassa ... .20 (6), - seoskanavan (6) loppupäähän sovitetun säätöventtiilin (21) seoskanavassa :' ·, j johdettavan (6) seoksen paineen asettelemiseksi yhteistoiminnassa pumpun (7) : “': kanssa, • · · » · :.v - seoskanavaan (6) sovitetut elimet (14, 15) seoksen paine- ja lämpötila-arvoja ‘ ‘ 25 vastaavien tiheysarvojen mittaamiseksi, 109378 16 seoskanavaan (6) sovitetut elimet (14, 15, 18, 19, 20) seoksen viskositeetin määrittämiseksi, sekä - ohjauslaitteet (9) päällysteseoksen virtauksen ja paineen asettamiseksi kullekin mittaustilanteelle sopiviin arvoihin pumpun (7) kierrosnopeutta ja 5 säätöventtiilin (21) virtausvastusta muuttamalla siten, että seoksen paine tiheysmittauksessa (14, 15) asetetaan vuoroin sekä matalaan että riittävän korkeaan arvoon, jossa korkeammassa paineessa päällysteseoksen sisältämä ilma olennaisesti liukenee ja puristuu kokoon, jolloin voidaan mitata päällysteseoksen ilmaton tiheys. 10

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että elimet (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16,17) seoksen tiheysarvojen ja näitä vastaavien paine-ja lämpötila-arvojen mittaamiseksi käsittävät lämpömittarin (10, 11), ensimmäisen painemittarin (12, 13), tiheysmittarin (14, 15), massa- tai tilavuusvirtamittarin (14, 15) sekä toisen 15 painemittarin (16,17).

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että mittarit on •: , jäljestetty seoskanavaan (6) seoksen virtaussuunnassa siten, että ensimmäinen :··: painemittari (12, 13) on ennen tiheysmittaria (14, 15) ja toinen painemittari (16, 17) on T‘i20 tiheysmittarin (14, 15) jälkeen, jolloin seoksen paine tiheysmittauksen aikana voidaan : : : luotettavasti määrittää. * ·

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että tiheysmittari ja massavirtamittari ovat yksi Coriolis-tyyppinen mittari (14,15). * 1 · 25 « I » ; V;

13. Jonkin patenttivaatimuksen 9-12 mukainen laite, tunnettu siitä, että elimet ·:··· (14, 15, 18, 19, 20) seoksen viskositeetin määrittämiseksi käsittävät kapillaariputken (18), paine-erolähettimen (19) sekä mittausyhteet (20) kapillaariputken (18) sisällä vallitsevan paineen välittämiseksi ainakin kahdesta pisteestä paine-erolähettimelle (19). 109378 17

14. Patenttivaatimusten 12 ja 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että kapillaariputki on järjestetty seoskanavaan (6) seoksen virtaussuunnassa ensimmäisen painemittarin (12, 13), Coriolis-tyyppisen mittarin (14, 15) ja toisen painemittarin (16, 5 17) jälkeen. • · • » 1 > · 109378 18