FI114041B - Mittausmenetelmä ja -laitteisto paperin tai kartongin valmistuksessa - Google Patents

Description

114041

Mittausmenetelmä ja -laitteisto paperin tai kartongin valmistuksessa

Keksintö koskee mittausmenetelmää ja -laitteistoa paperin tai kartongin valmistuksessa, jossa mitataan paperi- tai kartonkirainaan tai paperi-5 tai kartonkirainaa kuljettavan laitteiston rakenteisiin kohdistuvia erilaisia voimia ja jännityksiä anturilla, jonka antamia mittaustietoja otetaan vastaan ja käytetään paperin tai kartongin valmistuksen vallvomiseksi ja/tai ohjaamiseksi.

10 Mittausmenetelmä on tarkoitettu käytettäväksi lukuisissa kohteissa paperi- tai kartonkikoneella tai paperin tai kartongin jälkikäsittelylaitteis-tossa, kun halutaan mitata voimaa, jännitystä tai termistä muutosta.

Yhtenä sovellutuskohteena on nipin painejakauman mittaaminen ja mittaustiedon hyödyntäminen kalanterissa. Mittausmenetelmä on tar-15 koitettu käytettäväksi myös viirakireyden ohjaamiseen. Mittausmenetelmä on tarkoitettu käytettäväksi myös paperi- tai kartonkikoneen tai yleensä paperi- tai kartonkirainaa kuljettavan laitteiston rakenteiden termisten ja kuormituksellisten muutosten seurantaan. Yhtenä esimerkkinä kalanterinipin nippivoiman mittauksesta kalanteritelaan 20 sijoitetuilla antureilla on US-patentti 5,383,371.

: Keksinnön tarkoituksena on esittää uusi menetelmä, jolla mittaustieto [ voidaan välittää mitattavien pisteiden ulkopuolelle optisesti paperi- tai kartonkikoneessa tai paperin tai kartongin jälkikäsittelylaitteistossa.

25 Menetelmä esittää uuden tavan käyttää PPL-antureita esim. nippi- * > : painejakaumatiedon ja viirakireystiedon mittaamiseen. Menetelmälle on : tunnusomaista, että anturi on pietso- ja pyroluminoiva anturi, ja • · · mittaustiedot ainakin alkuvaihessa otetaan vastaan anturilta optisesti, joko kuvaamalla anturi suoraan detektorilaitteella, jolla mitataan ·· 30 valointensiteetti, tai valojohteen, kuten optisen kuidun välityksellä detektorilaitteeseen, jolla kuvataan valointensiteetti.

• _ Keksinnön mukaisesti pietso- ja pyroluminoivaa (piezolumines- *···: cent/pyroluminescent) anturia sovelletaan paperinvalmistusprosessiin.

: .**: 35 Pietso- ja pyroluminoivalla anturilla tarkoitetaan ohutta kaivorakennetta, joka ulkoisen mekaanisen tai termisen rasituksen alaisena emittoi säteilyä, joka on verrannollista ko. pisteeseen kohdistettuun rasitukseen.

2 114041

Patentissa US-5446334 on anturin toimintaa kuvattu yksityiskohtaisesti. Pääpiirteissään anturi muodostuu kahdesta yhdistetystä kaivorakenteesta, joista toinen on ns. pietso-pyroelektrinen kalvo (PPE) ja toi-5 nen on luminoiva (emittoiva LED) kalvo. PPE-kalvo havainnoi siihen kohdistuvat termomekaaniset jännitysmuutokset kalvon eri pintojen välisinä jännite-eroina, joilla ohjataan puolestaan LED-kalvoa siten, että paikalliset jännityserot näkyvät eriasteisina valon intensiteetteinä. Yhdistettyä kaivorakennetta kutsutaan pietso-pyroluminoivaksi (piezo-py-10 roluminescent) anturiksi eli PPL-anturiksi. PPL-anturi muuttaa siis termomekaanisen jännitysjakauman näkyväksi kuvaksi, jossa luminenssin (paikallinen) intensiteetti kuvaa vastaavan termomekaanisen jännityksen paikallista amplitudia. Menetelmä edellyttää, että kalvot ja niitä mahdollisesti peittävät kerrokset ovat läpinäkyviä tai kalvojen emittoima 15 säteily voidaan rekisteröidä ja siirtää eteenpäin esim. valokuiduilla.

Kalanterinipin painejakauman mittauksessa, esim. kalanterin ohjaus-tarkoituksessa, PPL-anturien emittoima optisessa muodossa oleva painejakaumatieto rekisteröidään kameratekniikkaa käyttäen tai tieto 20 välitetään telan polymeerikerrokseen sijoitetuista antureista valokuitujen avulla eteenpäin. On esimerkiksi mahdollista välittää optisessa muodossa oleva tieto valokuitujen avulla telan mukana pyörivään lähe-tinosaan, jossa se muunnetaan sähköiseen muotoon ja lähetetään radiotekniikalla telan ulkopuolella olevaan kiinteään vastaanotinosaan, : :· 25 joka on yhteydessä tietojenkäsittelylaitteeseen mittaustiedon käsittele- ...·' miseksi. Tällainen ns. telemetriaperiaate mittaustietojen välittämiseksi Γ > telasta telan ulkopuolelle on tunnettu mm. US-patentista 5383371.

·:·: Antureita voidaan käyttää myös muissa liikkuvissa osissa paperi- tai ”·: 30 kartonkikoneessa tai paperin tai kartongin jälkikäsittelylaitteistossa.

Sijoittamalla ohut elastinen PPL-kalvoanturi suoraan viirakudoksen si-sälle voidaan esimerkiksi viiran kireys mitata ja sen kireyttä/liikettä ohjata/säätää.

, ·: 35 Mittausmenetelmää voidaan soveltaa myös staattisiin nippipaineja- kaumamittauksiin nykyisen nippipaperin sijasta. Sijoittamalla elastinen, : joustava PPL-anturikalvo läpinäkyvän (joustavan) mittasukan sisälle * · · » * * 3 114041 (rakenteeseen), voidaan tämä sukka vetää telanvaihdon yhteydessä polymeeritelan päälle ja koneeseen asennettuna voidaan telalla (+PPL-anturilla) mitata nippipainejakauma.

5 Paperirainaa kuljettavan laitteiston termisten ja kuormituksellisten muutosten seurannassa tyypillisiä kohteita ovat koneen poikittaiset tukirakenteet. Esimerkiksi kaavaripalkin tai päällystysaseman teräpalkin lämpötilakäyristyminen voidaan havaita teräpalkin päälle sijoitetulla PPL-anturilla. Anturitietoa voidaan käyttää myös takaisinkytkettyyn 10 säätöön ohjaamalla teräpalkin jäähdytysvesikiertoja (kamera + PPL) mittauksen perusteella. Samoin isojen (kone)rakennepintojen jännitystilan muutoksia voidaan havainnoida, ja eri mittauspisteistä voidaan havaita erot näissä jännitystiloissa. Menetelmä soveltuu myös värähtelyjen ja rakenteiden rasitusmuutosten seurantaan. Akseli-, laakeri- ja 15 putkistovärähtelyjen seuranta ja valvonta ovat selkeitä sovelluskohteita.

Rainan leijukuivattimen ilmavirtaukset suuttimien päistä voidaan mitata PPL-antureilla. Ohi viilaavaan kuivatusilmavirtaan kosketuksissa olevan anturin antama optinen informaatio ilmaisee kuivatusilmavirran 20 paineen. Mittaustieto voidaan välittää antureista valokuiduilla eteenpäin.

Koska PPL-anturi rekisteröi myös termisistä jännityksistä aiheutuvat muutokset, voidaan sitä käyttää myös lämpötilanmuutosindikaattoreina *: 25 esim. konerakenteissa.

* · «· * • ’.*· Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin pii- rustuksiin, joissa 30 kuva 1 esittää PPL-anturin toimintaperiaatetta, ja kuva 2 esittää keksinnön sovellusta kalanterin yhteydessä.

•»·

Kuvassa 1 on esitetty kaavamaisesti PPL-anturin toimintaperiaate, joka ΟΊ 35 on tuttu esim. US-patentista 5,446,334. Anturi kykenee muuntamaan tietyn alueen termomekaanisen jännityksen samalla alueella näkyväksi : luminenssiksi. Anturi on kalvomainen, ja siinä on pietso-pyroelektrinen • * · 4 114041 kalvo-osuus (PPE), jossa on yhtenäinen johtavaa materiaalia oleva kalvo, siihen liittyneenä pietso-pyroelektristä materiaalia oleva kalvo, ja mainitun kalvon toisella puolella vielä toinen johtavaa materiaalia oleva kalvo, joka muodostaa anturin sisälle jäävän kalvon. Pietso-pyroelekt-5 ristä materiaalia oleva kalvo tai materiaalikerros kykenee tuottamaan siihen kohdistuvasta termomekaanisesta jännityksestä riippuvan potentiaalieron sen vastakkaisten pintojen välille. Anturin sisällä olevan johtavaa materiaalia olevan kalvon toisella puolella on elektroluminoi-vaa ainetta oleva kalvo tai materiaalikerros LED, jonka toisella puolella 10 siihen välittömässä kontaktissa anturin uloimpana kerroksena on johtavaa materiaalia oleva kalvo. Elektroluminoiva kalvo-osa kykenee lähettämään näkyvää valoa, jonka intensiteetti on riippuvainen pietso-py-roelektrisen kalvo-osan tuottamasta potentiaalierosta. Elektroluminoi-vaan materiaalikerrokseen LED kiinnittyneiden kerrosten tulee olla lä-15 pinäkyviä siinä määrin, että materiaalin lähettämää valoa voidaan havainnoida. Esimerkiksi materiaalikerrokseen LED liittyvä uloin johtava kalvo voi olla riittävän läpinäkyvää materiaalia.

Kalvomaisen anturimateriaalin 3 2-ulotteisessa tasossa sijaitsevien eri 20 alueiden erilaiset termomekaaniset jännitykset saadaan näkyviin vastaavalla tavalla vaihtelevina valointensiteetteinä jakamalla anturin sisällä oleva kalvo samassa tasossa erillisiin johtaviin alueisiin, joiden välillä on sähköä eristävät alueet. Näin sisällä olevan kalvon toisistaan eristetyt johtavat alueet ovat vastaavilla kohdilla vaikuttavista termo-·: ·· 25 mekaanisista jännityksistä riippuen eri potentiaaleissa ja vaikuttavat :1 näin elektroluminoivaan materiaaliin eri tavoin saaden aikaan vastaa- • vasti alueittain vaihtelevat valon intensiteetit. Kun jäljempänä puhutaan eri kohdille sijoitetuista antureista 3, voi kysymyksessä olla erilliset ..anturikalvot, jotka kukin antavat niiden paikan tilannetta vastaavan 30 valointensiteetin, tai laajemmalle alueelle ulottuva anturikalvo, jossa on eri alueita, joiden valointensiteetit ovat erotettavissa toisistaan.

; / Kuvassa 2 on esitetty eräs sovellus, jossa menetelmää käytetään pa- peri- tai kartonkikoneen tai paperin tai kartongin jälkikäsittelykoneen 35 telan yhteydessä tarkoituksena mitata telaan kohdistuvia voimia. Erityi-senä sovelluksena on mitata telan ja vastaelementin välisessä nipissä vallitsevaa painejakaumaa. Kuvassa 2 on esitetty kalanteri, jossa on « «· »· 5 114041 ainakin yksi pehmeällä telapinnoitteella 1a varustettu tela 1 sekä telan kanssa nipin muodostava vastaelementti 2, joka myös voi olla tela.

Tämä vastaelementti on kuvassa 2 esitetyssä tapauksessa kovapintainen metallitela, ns. kokilli valettu tela. Telan 1 ja vastaelementin 2 väli-5 sessä nipissä N vallitsevan paineen jakauma koneen poikkisuunnassa eli telan aksiaalisuunnassa, paineprofiili, on esitetty kuvan 2 alaosassa.

Kuvassa 2 esitetty kalanteritela 1 on ns. kevyttela, jossa on kevyestä aineesta (vaahto, kennorakenne tai keveä komposiittimateriaali) muo-10 dostettu ydin 1c, sen ympärillä putkimainen kuori 1b ja sen päällä pehmeän pinnan muodostava pinnoitekerros 1a, esimerkiksi polymee-ripinnoite. PPL-anturit 3 on sijoitettu esim. määrävälein kehän suuntaisina liuskoina telan 1 leveydelle siten, että nippipaine voidaan mitata edellä esitetyn periaatteen mukaisesti tietyllä vyöhykkeellä. PPL-anturit 15 3 voidaan sijoittaa myös muilla tavoilla, esim. spiraalimaisesti tai pis- teittäin, mutta kuitenkin siten, että kaikissa vaihtoehdoissa saadaan kattava nippipainetieto koko telan leveydeltä tietyllä jaolla telan leveys-suunnassa. Anturit 3 on kuvan 2 mukaisesti sijoitettu ytimen 1c ja sen ympärillä olevan putken 1 b väliin. On myös mahdollista sijoittaa anturit 20 3 putken 1b ja uloimman pinnoitekerroksen 1a väliin tai pinnoitekerrok- sen 1a sisään. Kaikissa sijoitusvaihtoehdossa PPL-anturin 3 tulee kyetä havaitsemaan nippipaineeseen verrannollinen voima vastaavalla kohdalla telan aksiaalisuunnassa.

25 Anturien 3 antaman lähtösuureen, valointensiteetin mittaamiseksi telan .. i* 1 yhteyteen on sijoitettu detektorilaite 4, tässä tapauksessa kamera, • ,'· joka kuvaa telan 1 pintaa sen koko leveydellä. Intensiteettien mittaami- seksi telan ulkopuolisella detektorilaitteella anturien 3 emittoiman valon ·! *i tulee päästä telan ulkopuolelle. Tässä tapauksessa kuoren 1b ja poly- 30 meeripinnoitteen 1a materiaalin tulee olla siinä määrin valoa läpi päästävää, että intensiteettierot voidaan havaita detektorilaitteella. Jos anturit on sijoitettu heti pinnoitekerroksen 1a alle tai sen sisään, tulee pinnoitekerroksen tai vastaavasti sen pintakerroksen olla riittävästi valoa läpipäästävää materiaalia.

O-i 35

Detektorilaite 4 voi olla esimerkiksi kamera, jossa on optiikka ja valo-.·! : herkkä anturi, jonka avulla voidaan mitata ja erottaa toisistaan eri antu- 6 114041 reiden 3 emittoimat intensiteetit. Detektorilaitteessa voi tätä varten olla anturi, joka käsittää useita kuvapisteitä, jolloin tämän anturin eri kuva-pisteillä voidaan muuntaa valon intensiteetti esimerkiksi siihen suoraan verrannolliseksi sähköiseksi signaaliksi mittaustietojen myöhempää kä-5 sittelyä, esim. säätöä varten. Detektorilaitteella ei välttämättä tarvitse muodostaa kohteesta kuvaa. Lisäksi on mahdollista, että detektorilaite on skannaava laite, joka siirtyy telan aksiaalisuunnassa ja kuvaa kerrallaan vain tietyn aksiaalisuuntaisen vyöhykkeen ja sillä olevan anturin tai anturit 3. Kamerajärjestelmiä saadaan mittaustieto välitettyä suoraan 10 valointensiteettinä pyörivän telan 1 ulkopuolelle.

Suoran kuvauksen sijaan on mahdollista välittää valo esimerkiksi optisia kuituja pitkin anturien 3 läheisyydestä detektorilaitteeseen, jolla valon intensiteetti voidaan mitata eri antureista. Detektorilaite voi muun-15 taa valointensitettin siihen verrannolliseksi sähköiseksi suureeksi ja kuulua telan mukana pyörivään lähetinosaan, joka lähettää telemet-riaperiaatteella mittaustiedot langattomasti telan ulkopuolella olevaan kiinteään vastaanotinosaan, joka on yhteydessä tietojenkäsittelylaittee-seen mittaustiedon käsittelemiseksi. Tällaista detektorilaitetta 4’ on 20 kuvattu kuvassa 2 katkoviivalla, ja myös katkoviivalla on kuvattu telan ulkopuolella olevaa vastaanotinosaa 5.

Kuvan 2 anturointijärjestelyllä on mahdollista mitata myös moninippisen kalanterin ainakin yhden nipin painejakaumaa ja suorittaa tiedon 25 perusteella kalanterointiprosessin ainakin yhden muuttujan takaisinkyt-·* ketty säätö.

Jos anturit 3 on sijoitettu rainan poikkisuunnassa sijaitsevaan palkkiin ·: ·· tai vastaavaan, voidaan anturien lähettämät tiedot hakea optisesti 30 kameratekniikalla, tai anturien antamat tiedot voidaan välittää eteenpäin myös optisia kuituja pitkin ja mitata niiden välittämän valon inten-siteetti.

Viirasta voidaan määrittää kireysprofiili järjestämällä viiraan sen muka- :Λ: 35 na kulkeviksi useita eri kohdilla koneen poikkisuunnassa sijaitsevia antureita 3. Viirassa olevat paikalliset kireysvaihtelut välittyvät viirassa .·* ; vastaavalla kohdalla olevaan anturiin 3, joka lähettää kireyteen verran- • · • · · 7 114041 nollisen valointensiteetin. Anturien 3 antamien kireysprofiilitietojen perusteella voidaan viiran kireyttä säätää. Anturien antama optinen mittaustieto voidaan ottaa vastaan esim. suoraan kuvaamalla.

Claims (8)

114041

1. Mittausmenetelmä paperin- tai kartongin valmistuksessa, jossa mitataan paperi- tai kartonkirainaan tai paperi- tai kartonkirainaa kul- 5 jettavan laitteiston rakenteisiin kohdistuvia erilaisia voimia ja jännityksiä anturilla, jonka antamia mittaustietoja otetaan vastaan ja käytetään paperin tai kartongin valmistuksen valvomiseksi ja/tai ohjaamiseksi, tunnettu siitä, että anturi (3) on pietso- ja pyroluminoiva anturi, ja mittaustiedot ainakin alkuvaiheessa otetaan vastaan anturilta (3) optisesti, 10 joko kuvaamalla anturi suoraan detektorilaitteella, jolla mitataan valointensiteetti, tai valojohteen, kuten optisen kuidun välityksellä detektorilaitteeseen, jolla mitataan valointensiteetti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 viirakireyttä mitataan viirasta siihen sijoitetulla ainakin yhdellä pietso- ja pyroluminoivalla anturilla (3).

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pietso- ja pyroluminoivia antureita (3) on useampia 20 paperi- tai kartonkirainan poikkisuunnassa ja niillä määritetään voiman tai jännityksen jakautuma poikkisuunnassa ottamalla vastaan mittaus-tiedot eri antureilta. • ·

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 25 pyörivään telaan sijoitetuilla antureilla (3) mitataan telan (1) vastaele- 1 ·/ mentin kanssa muodostaman nipin painejakaumaa. • · • · ·

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että antureilla (3) mitataan kalanteritelan muodostaman nipin painejakau- 30 maa. .···. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että antureilla (3) mitataan moninippisen kalanterin ainakin yhden nipin pai-nejakaumaa. '·...· 35 114041

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaustietojen perusteella suoritetaan takaisinkytketty säätö.

8. Mittauslaitteisto, joka käsittää paperi- tai kartonkirainaa kuljettavaan laitteistoon sijoitetun yhden tai useamman anturin (3) sekä elimen anturin tai anturien lähettämien mittaussignaalien vastaanottamiseksi, tunnettu siitä, että mainittu yksi tai useampi anturi (3) on pietso- ja pyroluminoiva anturi ja mainittu elin on valointensiteettiä mittaava 10 detektorilaite, joka on järjestetty ottamaan anturilta tai antureilta (3) tulevat mittaussignaalit vastaan optisesti joko kuvaamalla anturi suoraan tai valojohteen, kuten optisen kuidun välityksellä. • 1 • · •« • · · •«« • · « · · 1 • « • M • · • · • » · • 1 · • · * M · • · • · « · » • · · • · > » · • · » · t • · f i i t · 114041