FI113804B - Menetelmä ja laitteisto jatkuvan liikkuvan elimen kireyden mittaamiseksi - Google Patents

Description

113804

Menetelmä ja laitteisto jatkuvan liikkuvan elimen kireyden mittaamiseksi

Keksintö kohdistuu menetelmään paperikoneessa tai paperin jälki-5 käsittelykoneessa kulkevan jatkuvan elimen, kuten rainan tai kudoksen kireyden mittaamiseksi, jolloin mittaus suoritetaan useasta eri kohdasta liikkuvan elimen poikkisuunnassa paineherkällä kalvoanturilla, joka sijaitsee pyöriväksi laakeroidussa telassa, jonka kautta jatkuva liikkuva elin kulkee. Keksintö kohdistuu myös laitteistoon jatkuvan liikkuvan eli-10 men kireyden mittaamiseksi paperikoneessa tai paperin jälkikäsittely-koneessa, käsittäen paineherkän kalvoanturin, joka sijaitsee pyöriväksi laakeroidussa telassa, jonka kautta jatkuva liikkuva elin on järjestetty kulkemaan, ja jatkuvan liikkuvan elimen poikkisuunnassa useita mittauspisteitä, joista paineherkkä kalvoanturi on järjestetty mittaamaan 15 kireyden.

Paperikoneessa tai paperin jälkikäsittelykoneessa on seurattava jatkuvasti siinä kuljetettavan leveän paperirainan kireyttä paperirainan kulkuun vaikuttavien käyttölaitteiden säätämiseksi ja ratakatkojen välttä-20 miseksi. Ratakireysmittauksen tiedot antavat yleensäkin hyvän kuvan rainan kulun vakaudesta, mahdollisesti rainan muista ominaisuuksista, ja niiden avulla voidaan ennakoida ongelmatilanteet.

* i * ' Koneessa kulkevan paperirainan kireyden mittaamiseksi on-line on ke- 25 hitetty laitteisto, joka perustuu suurella nopeudella liikkuvan rainan ja • · '···[ kaarevan pinnan välisen ilmatyynyn paineen mittaamiseen eri kohdilla * : rainan poikkisuuntaa. Kyseinen laitteisto on esitetty mm. suomalai- sessa patentissa 80522, josta vastaa US-patentti 5052233. Koneen poikkisuuntaan ulottuvassa mittauspalkissa on kaareva pinta, jossa on 30 määrävälein aukkoja, joiden kautta ilmatyynyn paine vaikuttaa palkin sisällä oleviin vastaaviin paineantureihin. Laitteistoa on käytetty menestyksellisesti eri kohteissa ratakireyden mittaamiseksi ohi kulke-vasta rainasta. Ongelmana on kuitenkin, että nykyisellään paineantu- • · ’·:·* reiden sijoitteluväli määrää sen, kuinka tarkasti ratakireys voidaan mi- 35 tata. Mittausantureina ovat paine-eroanturit, joista kukin mittaa paikal- ·:·*: lista, aukon kautta vaikuttavaa painetta verrattuna palkin sisälle tuotuun vertailupaineeseen. Haluttaessa päästä hyvään resoluutioon yli rainan 113804 2 koko leveyden tulisi mittauspisteitä ja vastaavasti palkkiin porattuja aukkoja ja paineantureita olla tiheällä jaolla koneen poikkisuunnassa, mikä lisää laitteiston valmistuskustannuksia.

5 Toisaalta paperikoneessa tai paperin jälkikäsittelykoneessa on muita suurella nopeudella liikkuvia jatkuvia leveitä (koneen poikkisuuntaan ulottuvia) tasomaisia taipuisia, oleellisesti tasapaksuisia elementtejä, joita viedään konesuunnassa valmistus- tai käsittelyprosessin vaatimaa kulkurataa pitkin usein varsin mutkittelevina vienteinä ja joiden kireyttä 10 tulisi pystyä havainnoimaan ajoparametrien säätämiseksi ja häiriöiden ennakoimiseksi. Tällaisia elimiä ovat paperirainan lisäksi monet koneen koko leveydellä ja vähintään ajettavan paperirainan leveydellä sijaitsevat erilaiset kudokset, kuten huovat ja viirat, joita käytetään paperirainan kuljettamiseksi ainakin osalla matkaa konesuunnassa. Nykyisin 15 huovan tai viiran kireys mitataan punnitusantureilla telan laakeripesistä. Vaihtoehtoisesti kireys voidaan mitata epäsuorasti hydraulikiristimien kuormitusmäntien öljynpaineesta. Edellä kuvatut kireydenmittaus-menetelmät antavat käsityksen kudosten kokonaiskireydestä, mutta ei poikittaisesta kireysprofiilista.

20

Julkaisu WO-89/10544 esittää ratkaisun nauhamaisen materiaalin ai-heuttaman voiman tai materiaalin paikan määrittämiseksi telaan kiinni-.·. : tetyn paineherkän materiaalin avulla. Paineherkkä materiaali on julkai- sun kuvissa 5 ja 6 kiinnitetty erillisinä nauhoina telan ympärille. Paine-25 herkällä materiaalilla saadaan selville kehäpinnalle 5 (hoikin 2 ulkopin-***** nalle) kohdistuva puristusvoima. Julkaisun mukainen ratkaisu on tarkoi tettu nauhamaisen metallia olevan materiaalin ominaisuuksien mittaa-miseen.

30 Julkaisu WO-84/02121 esittää menetelmän paperirainan kireyden mit-taamiseksi, jossa telan pintaan on kiinnitetty useita paineherkkiä ele-:v, menttejä 4, jotka ovat toisistaan erillisiä. Julkaisun sivulla 4 riveillä 23-27 on mainittu, että elementit 4 voivat sijaita myös suorassa Iin- » * jassa.

35 ·:··: Keksinnön tarkoituksena on poistaa em. epäkohdat ja esittää mene telmä ja laitteisto, jolla paperikoneen tai paperin jälkikäsittelykoneen 113804 3 liikkuvaa jatkuvaa elintä voidaan mitata yksinkertaisella rakaisulla online. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, että paineherkkä kalvoanturi on sijoitettu jatkuvana nauhana spiraalimaisesti telan ympärille. Paine-5 herkkä kalvoanturi voidaan järjestää näin koneen poikkisuuntaan siten, että kireys tulee mitatuksi riittävän monesta pisteestä paperirainan tai kudoksen leveydellä. Ratkaisu on yksinkertainen, koska käytännössä yhdellä anturilla voidaan mitata kireys eri kohdista rainan leveys-suunnassa.

10

Paineherkkinä kalvoantureina voidaan käyttää edullisesti paineen/voi-man helposti käsiteltäväksi signaaliksi, esim. sähköiseksi signaaliksi muuttavaa sähkömekaanista eli pietsosähköistä kalvoa, erityisesti ns. EMFi-kalvoa, joka on pysyvästi sähköisesti varattu solumuovikalvo, tai 15 PVDF-kalvoa. Keksintö ei ole kuitenkaan rajoittunut vain näihin nimettyihin kalvomateriaaleihin. Kalvo on yleisesti tyyppiä, joka kykenee muuttamaan siihen pääasiassa sen tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa kohdistuvan paineen tai voiman signaaliksi, joka voidaan johtaa sopivaa johdinta pitkin tai langattomasi tietojenkäsittely-yksik- 20 köön, jossa sitä voidaan käsitellä mittaussignaalien käsittelystä tunnetuilla tavoilla.

t ·« . , : Paineherkkä kalvoanturi sijoitetaan liikkuvan elimen liikkeen mukaisesti pyörivään telaan. Ohi kulkeva paperiraina tai kudos aiheuttaa kalvo- • · 25 anturiin painetta riippuen elimen kireydestä kyseisellä kohdalla koneen poikkisuunnassa ja vastaavan sähköisen signaalin. Eri kohdilla koneen poikkisuunnassa saaduista signaaleista voidaan muodostaa kireys-profiili, jota voidaan käyttää tunnetulla tavalla hyväksi.

30 Oleellista on vielä se, että alueella, jossa elin kulkee kalvoanturin ohi, se kulkee vapaana ilman kontaktia muihin osiin, jolloin sen kireys välit-:v. tyy mahdollisimman hyvin voimana kalvoanturin pintaan ilman häiritse- viä tekijöitä. Toisaalta on mahdollista suorittaa mittaus kohdassa, jossa ’t’ ensimmäisen jatkuvan elimen (kuten viiran tai huovan) päällä on toinen :.‘*i 35 jatkuva elin (kuten paperiraina) ja havaita mahdolliset sellaiset äkilliset ·:*·: muutokset päällekkäin olevien osien yhteiskireydessä, jotka voivat indi koida häiriötilannetta, kuten radan katkeamista.

113804 4

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 5 kuva 1 esittää mittauslaitteistoa koneen poikkisuuntaa vastaan kohtisuorana leikkauksena, kuva 2 esittää kuvan 1 laitteistoa ylhäältäpäin nähtynä, 10 kuva 3 esittää perspektiivikuvantona erästä mahdollista laitteiston suoritusmuotoa, kuva 4 esittää kuvan 3 suoritusmuotoa yleiskuvana konesuunnas-sa katsottuna, ja 15 kuva 5 esittää samaa sivukuvantona koneen poikkisuunnassa katsottuna.

Kuvassa 1 on esitetty sivukuvantona paperikoneen tai paperin jälkikä-20 sittelykoneen (off-line-kalanteri, off-line-päällystyskone, pituusleikkuri tai välirullain) ratakireyden mittauslaitteisto, joka on järjestetty mittaa-··· maan ohi kulkevan paperirainan W kireyttä eri kohdilla rainan poikki- : suunnassa eli ratakireysprofiilia. Laitteistossa on rainan poikki ulottuva palkki 1, jonka kaareva pinta on kohti ohi kulkevaa rainaa W. Tässä * * · 25 hakemuksessa paperikoneella tarkoitetaan myös muita kuituraaka-ai-’ \ neesta rainamaista jatkuvaa materiaalia valmistavia koneita, kuten tissue- ja kartonkikoneita, ja paperin jälkikäsittelykoneella em. raina-’····’ maisten materiaalien jälkikäsittelykoneita. Vastaavasti termi paperiraina W ei myöskään ole rajoittunut tietylle neliöpainoalueelle, ja se voi tar-..; i ‘ 30 koittaa myös tissuepaperirainaa tai kartonkirainaa.

:v. Paineherkkä kalvoanturi2 asetetaan tunnetuntyyppisessä palkissa 1 käytettävään, rainan kulkusuunnassa kaarevaan pintaan, esim. palkkia '*;·* peittävän kaarevan listan päälle. Kalvoantureita on useita saman- /•j 35 tyyppisinä, koneen poikkisuunnassa erillisinä antureina. Kuvassa 2 :*·: esitetyssä tapauksessa anturit 2 ovat tietynlevyisinä liuskoina, esim. n.

10 mm levyisinä liuskoina. Kaareva pinta aiheuttaa ilmavälin kalvoantu- 113804 5 reiden 2 ja paperirainan W välille, ja paperin kireissä kohdissa kalvoon kohdistuva sitä vasten puristuvan ilman paine aiheuttaa kalvon pintaan kohdistuvan suuremman paineen/voiman kuin löysät kohdat, jolloin syntyy paperirainan kireyden poikkiprofiili, CD-profiili. Kalvoanturin 2 5 herkkyyttä voidaan säätää asettamalla useita kalvoja päällekkäin. Kalvo pystyy rekisteröimään pieniäkin puristuvan ilman paineen muutoksia. Anturikalvo voidaan suojata mekaaniselta kulumiselta joko metallilevyllä tai suojakalvolla 4 ilman, että kalvon mittaustarkkuus kärsii. Suojaavan materiaalin paksuus valitaan materiaalin laatu ja alla-10 olevan kalvoanturin herkkyys huomioonottaen niin, että riittävä mittaus-herkkyys säilyy. Kuvassa 2 on esitetty palkki 1 ylhäältäpäin, ja siitä käy ilmi, kuinka kalvoanturit ovat tietyllä jaolla koneen poikkisuunnassa.

Kuvan 1 ratkaisun etuna on myös vähentynyt tilantarve mittauspalkin 1 15 ulkopuolella, sillä kalvosovelluksessa vahvistinkortit 3, joista signaalit lähtevät ulos, on sijoitettu palkin 1 sisään. Palkista saadaan näin suoraan mittausarvot ulos sähköisinä signaaleina linjaa L pitkin, jota kautta signaalit kulkevat tietojenkäsittely-yksikköön (ei esitetty), jossa signaaleita käsitellään ja suoritetaan toimintoja kireysprofiilin selville saami-20 seksi. Tietojenkäsittely-yksikkö on prosessiautomaation osa, ja tätä kautta ratakireystietoja voidaan hyödyntää prosessinohjauksessa ja -valvonnassa.

Kuva 3 esittää perspektiivikuvantona toista laitteiston suoritusmuotoa, 25 jossa samantyyppiset paineherkät kalvoanturit 2 on sijoitettu pyörivään telaan 5, jonka vaippa on kosketuksissa telan kautta tietyssä sektorissa kulkevaan jatkuvaan elimeen, kuten paperirainaan W tai kudokseen F (esim. viira tai huopa). Anturit 2 voidaan järjestää erillisinä esim. nauhaan, joka kiinnitetään telavaippaan telan aksiaalisuuntaisesti. Kalvo-30 anturit 2 toimivat samalla periaatteella kuin kuvissa 1 ja 2, eli ne muut-tavat ohikulkevan jatkuvan elimen aiheuttaman paineen (mekaanisen :v. sisääntulon) sopivaksi langallista tai langatonta tiedonsiirtolinjaa pitkin • · johdettavaksi, paineeseen tai voimaan verrannolliseksi ulostulo-*;·’ suureeksi, esim. sähköiseksi signaaliksi. Koska tela pyörii, tulee ki- 35 reysarvoihin verrannolliset signaalit saada telan ulkopuoliseen tietojen-*:·*: käsittelyjärjestelmään langattomasi. Signaalien lähetyksen vaatima elektroniikka on sijoitettu pieneen lähetinlaatikkoon 6 kalvoantureiden 2 113804 6 linjan päähän telavaipan päätyyn. Telan päädyn lähellä on vastaanotin-yksikkö 7, jota vastapäätä lähetinlaatikko 6 tulee kerran telan joka pyörähdyksen aikana. Kuvista 4 ja 5 käy ilmi, kuinka vastaanotinyksiköitä 7 voi olla kaksi, joista ensimmäinen on telan kehän kuormitusalueella ja 5 toinen kuormittamattomalla alueella vaipan päätyä vastapäätä, esimerkiksi kuvien esittämällä tavalla halkaisijan suunnassa vastakkaisilla puolilla telaa. Näin anturien 2 rivin tai vastaavan ryhmityksen ollessa kuormittamattomana lähetinlaatikon 6 ollessa toisen vastaanotin-yksi-kön 7 kohdalla saadaan nollakuormitusta vastaavat vertailuarvot 10 samoille antureille. Vastaanotinyksiköstä 7 mittaussignaali voidaan johtaa kiinteää tiedonsiirtolinjaa L pitkin tietojenkäsittely-yksikköön.

Myös tässä telaa käyttävässä vaihtoehdossa voidaan anturit suojata päällimmäisenä olevalla suojakerroksella, joka voi olla esimerkiksi 15 muovia tai metallia, ja suojaavan materiaalin paksuus valitaan materiaalin laatu ja allaolevan kalvoanturin herkkyys huomioonottaen niin, että riittävä mittausherkkyys säilyy.

Viirasta tai huovasta voidaan mitata kireysprofiili telalla 5 myös koh- 20 dasta, jossa paperirata on viiran tai huovan päällä, koska ratakireyden vaikutus on tavallisesti niin pieni, että se ei häiritse mittausta. Toisaalta : kireysarvon äkillisen muutoksen avulla voidaan tunnistaa tilanne, jossa .·. : raina ei enää ole viiran tai huovan päällä, eli voidaan havaita ratakatko.

* · • * · y.'.' 25 Kalvoantureina voidaan käyttää edellä mainittuja pietsosähköisiä kal- voja, kuten ohutta (tavallisimmin alle 1 mm) EMFi-kalvoa, jolle on omi- •»* ·» ' / naista solurakenteisuus ja pysyvä sähkövaraus sähköisen ulostulosig- naalin muutoksen perustuessa kalvon paikalliseen paksuuden muutokseen, joka ilmenee voimakkaimmin tyhjien solujen paksuuden muutoksi’ 30 sena. Kyseessä on kalvon mikrorakenteeseen perustuva muutos. Ky-seinen kalvoanturi toimii mittauksessa eräänlaisen kondensaattorin ta- :v. voin. Toinen kyseeseen tuleva kalvoanturi on kalvon rakennemateriaa- • · \.l Iin ominaisuuksiin perustuva pietsosähköinen kalvo, esimerkiksi PVDF- kalvo (polyvinyylideenifluoridikalvo). Myös tämä kalvo kykenee muut-:.’Ί 35 tamaan mekaanisen sisäänmenosuureen (paineen tai voiman) sähköi- ·:·: seksi ulostulosuureeksi, jota voidaan mittausteknisesti käsitellä. Yksi anturityyppi on vielä ns. PLL-anturi (pietso-pyroluminoiva anturi), joka 113804 7 pystyy tuottamaan kalvoanturiin kohdistuvan paineen vaikutuksesta optisen signaalin, jonka intensiteetti on suoraan verrannollinen paineeseen. Ulostulosuure on tällöin sähköisen suureen sijaan optinen, ja sitä voidaan myös käsitellä mittausteknisesti, ja tällainen signaali voidaan 5 muuntaa sopivassa vaiheessa siihen verrannolliseksi toiseksi suureeksi, esim. sähköiseksi signaaliksi tietojen jatkokäsittelyä varten.

Koska EMFi-kalvo kykenee mittaamaan erityisesti dynaamisia muutoksia, on sitä edullista käyttää juuri edellä kuvatussa telaa 5 käyttävässä 10 vaihtoehdossa, jossa se telan pyörimisliikkeen määräämässä tahdissa joutuu hetkellisesti paperirainan tai kudoksen aiheuttaman paineen alaiseksi siirtyessään alueelle, jossa raina tai kudos peittää telan tietyssä peittosektorissa, ja tämän sektorin ulkopuolisella alueella se on kuormituksesta vapaa. EMFi-kalvoa voidaan kuitenkin käyttää myös 15 rainan kireyttä mittaavassa poikkisuuntaisessa palkissa. Kalvon sopivuutta dynaamisten muutosten mittaukseen voidaan tällöin käyttää esimerkiksi siten, että mittauspalkki laskeutuu radalta esim. muutaman minuutin välein alas ja suoritetaan nollaus tässä tilassa. Tämän jälkeen voidaan palkki nostaa taas mittausasentoon seuraavaa mittausjaksoa 20 varten. Vastaavasti staattista painetta hyvin mittaava kalvoanturi, kuten PVDF-anturi tai PLL-anturi, sopii edullisesti käytettäväksi mittaus- laitteistossa, jossa se on jatkuvasti rainasta tai kudoksesta aiheutuvan : paineen alaisena, kuten on laita antureiden sijaitessa kuvissa 1 ja 2 • «· esitetyssä staattisessa mittauspalkissa 1. PVDF-anturia ja PLL-anturia 25 voidaan käyttää kuitenkin myös pyörivässä telassa 5.

• · • · ·

Edellä on esitetty antureiden sijoituksen suhteen keksintöön kuulu-mattomia suoritusmuotoja. Antureiden sijoitus voi olla myös toisenlainen kuin edellä on esitetty. Pyörivän telan 5 tapauksessa anturit voi-30 vat olla aksiaalisuuntaisessa rivissä vierekkäin, kuten kuvassa 3 on esitetty, mutta niiden muodostama ryhmä voidaan järjestää myös kul-:v. kemaan viistoon telan aksiaalisuuntaan eli pyörimisakselin suuntaan nähden. Tällöin vain osa antureista voi tulla vuorollaan paineenalaisek-si eli sijaita sektorissa, jossa raina W tai kudos F peittää telan vaippa-35 pintaa, eli mittaus eri pisteistä suoritetaan eri aikaan telan pyörimisno-:·*! peudesta riippuvin aikavälein. Keksinnön mukaisessa suoritus muodossa kalvoanturi 2 on telassa jatkuvana nauhana, joka on kier- 113804 8 retty spiraalimaisesti telan ympärille. Mikäli tällainen nauha kiertää esim. 360° telan ympäri, on siitä aina tietty osuus vuorollaan rainan tai kudoksen aiheuttaman paineen alaisena, ja myös tällä järjestelyllä voidaan saada tietoa kireysprofiilista telan yhden pyörähdyksen aikana, 5 joskaan ei niin hyvällä resoluutiolla kuin käytettäessä erillisiä, edullisesti tihein välein sijoitettuja antureita.

• »· «* · t»<

Claims (9)

1. 9 113804
2. 1. Menetelmä paperikoneessa tai paperin jälkikäsittelykoneessa kulkevan jatkuvan elimen, kuten rainan tai kudoksen kireyden mittaami- 5 seksi, jolloin mittaus suoritetaan useasta eri kohdasta liikkuvan elimen poikkisuunnassa paineherkällä kalvoanturilla (2), joka sijaitsee pyöriväksi laakeroidussa telassa (5), jonka kautta jatkuva liikkuva elin kulkee, tunnettu siitä, että paineherkkä kalvoanturi (2) on sijoitettu jatkuvana nauhana spiraalimaisesti telan (5) ympärille. 10
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jatkuva liikkuva elin, jonka kireys mitataan, on paperiraina (W).
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 jatkuva liikkuva elin, jonka kireys mitataan, on paperikoneen tai paperin jälkikäsittelykoneen kudos (F).
5. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalvoanturi (2) muuttaa siihen kohdistuvan voiman tai 20 paineen näihin verrannolliseksi mittaussignaaliksi, joka johdetaan langallista ja/tai langatonta tiedonsiirtolinjaa pitkin mahdollisesti välillä >:··· muuntaen tietojenkäsittely-yksikköön. • · • * t • I I
6. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että • » · 25 kalvoanturi (2) muuttaa siihen kohdistuvan voiman tai paineen näihin verrannolliseksi sähköiseksi tai optiseksi mittaussignaaliksi. »*»* · » ·
7. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalvoanturi (2) on EMFi-kalvo tai PVDF-kalvo tai pietso- ja pyroluminoi- 30 va anturi (PLL-anturi). * I I t · :v. 7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun- nettu siitä, että kireydenmittauksella määritetään jatkuvan elimen, ku-ten rainan (W) tai kudoksen (F) kireysprofiili. :/·ί 35 * · 10 113804
8. 8. Laitteisto jatkuvan liikkuvan elimen, kuten rainan tai kudoksen kireyden mittaamiseksi paperikoneessa tai paperin jälkikäsittely-koneessa, käsittäen paineherkän kalvoanturin (2), joka sijaitsee pyöriväksi 5 laakeroidussa telassa (5), jonka kautta jatkuva liikkuva elin on järjestetty kulkemaan, ja jatkuvan liikkuvan elimen poikkisuunnassa useita mittauspisteitä, joista paineherkkä kalvoanturi (2) on järjestetty mittaamaan kireyden, tunnettu siitä, että paineherkkä kalvoanturi (2) on sijoitettu jatkuvana nauhana spiraalimaisesti telan (5) ympärille.
9. 9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kalvoanturi (2) on tyyppiä, joka kykenee muuttamaan siihen kohdistuvan voiman tai paineen näihin verrannolliseksi sähköiseksi tai optiseksi mittaussignaaliksi, kuten EMFi-kalvo tai PVDF-kalvo tai pietso- ja py- 15 roluminoiva anturi (PLL-anturi). • 1 • · • · · • · φ • · • · « • 1 ♦ • · · • · I t I «t #» ♦ » ♦ » · * · « • · · » · • · • I I * · • Φ I I · * 1 1 • 1 · 113804