FI128379B - Optinen mittapää - Google Patents

Abstract

Keksintö koskee menetelmää sekä siihen liittyvää optista mittapäätä (10) , johon kuuluu optiikka (13), kuitu rakenteet (14,15, 16,17), integroitu pneumaattinen puhtaanapitorakenne (11) sekä kuitujen suojaputki en (18) kautta tuotu ylipaineistus.

Description

Optinen mittapää

Ala

Keksinnön kohteena on optinen mittapää jota käytetään esimerkiksi aaltopahvin tai muun rainamaisen tuotteen valmistuksessa mittausjärjestelyssä, jossa passiiviset mittapäät välittävät valokuituja pitkin mittaustiedon kosteudesta tai muusta suureesta prosessin eri vaiheista.

Tausta

Suomalaisessa patenttihakemuksessa numero 20145625 esitetään optinen monikanavainen mittausyksikkö. Tämä keksintö kuvaa tuon patenttihakemuksen optista mittapäätä. Patenttihakemuksessa mittapää kuvataan passiiviseksi, 15 pieneksi ja lämpötilasietoiseksi. Tämä keksintö tuo mittapäälle useita uusia ominaisuuksia.

Keksinnön pääasiallinen käyttökohde on rainamaisesti tuotettavien tuotteiden prosessimittaukset. Rainamaisesti käsiteltäviä tuotteita ovat mm. sellu, paperi ja 20 kartonki. Tyypillistä rainamaisille mittauskohteille ovat korkeat lämpötilat, tärinä, kosteus ja ilmassa olevat likapartikkelit. Näiden aiheuttamat lyhyt- ja pitkäaikaiset häiriöt tekevät mittaamisesta haastavaa.

Tunnettua on, että optisten mittapäiden yksi suurimmista käytännön ongelmista 25 on prosessi-ikkunoiden likaantuminen. Prosessi-ikkunalla tarkoitetaan mittapään ulointa optista rajapintaa prosessiin, jonka läpi mittaus suoritetaan. Tyypillisesti prosessi-ikkunan ulkopintaan kertyy kosteutta, kemikaaleja, pölyä ja muita mahdollisia mittausta haittaa via partikkeleja.

20160246 prh 31 -12- 2019

Tekniikan tasosta tunnettuihin mittapäihin liittyy epäkohtana se, että niiden asennettavuus ja etäisyyden säätö niitattavasta kohteesta on hankalaa. Tyypillisesti mittauksia tekevät aktiiviset anturilaitteet, jotka ovat suurikokoisia ja painavia jolloin niiden asennettavuus ahtaissa prosessipaikoissa on 5 mahdotonta. Lisäksi yksittäiset koko mittaustekniikan sisältävät anturit joita käytetään useassa eri mittauspisteessä muodostavat erittäin kalliin kokonaisuuden.

Yhtenä ongelmana optisten mittausjärjestelyjen kanssa on kosteudesta johtuva 10 optisten IR-kvartsikuitujen vanheneminen. Vanheneminen aiheuttaa esimerkiksi veden mittausaallonpituuden läpäisyn heikkenemistä.

Eräänä tekniikan tasona optisesta mittapäästä voidaan mainita hakemus EP2902829 joka kuvaa optisen mittapään. Kuvatusta mittapäästä puuttuu mm.

integroitu puhtaanapitorakenne, kiinnitysmekanismi, sekä kuitujen vanhenemista estävä ratkaisu.

Patentissa US6490040 savukaasuanturissa paineilmaa käytetään kahteen tarkoitukseen, mitta-ikkunan pitämiseen puhtaana ja mittapään jäähdyttämiseen.

Paineilma ei missään tilanteessa päädy mittapään sisälle, vaan pysyy mittapään kuoren vaipassa.

Julkaisussa US4711524 kuvataan moottorin palothan kuvaamiseen tarkoitettu optinen mittapää. Mittapään ensisijaisena ongelmana on korkeat lämpötilat, 25 joiden vuoksi virtaavaa paineilmaa käytetään eri osien jäähdytykseen.

Julkaisun EP2891531 sovelluskohde hehkuvankuumien metalliaihioiden lämpötilamittaus. Julkaisussa kuvataan virtaava ylipaineratkaisu jäähdytystä varten.

20160246 prh 31 -12- 2019

Julkaisu US2008212087 kuvaa lääketeollisuuden mittalaitetta, jolla mitataan fotometrisesti tai spektroskopialla erilaisia ominaisuuksia. Mittari on suunniteltu suljettujen säiliöiden sisätilojen mittausta varten.

Julkaisu US5590577 kuvaa paperiteollisuudessa käytettyä leikkuria ja siihen liittyvää repeämän optista tunnistinta. Julkaistussa ratkaisussa ei ole lainkaan prosessi-ikkunaa.

Julkaisussa US3890049 paperin kiiltomittarin anturipään läpi voidaan puhaltaa 10 paineilmaa. Laitteessa ei ole erillistä suljettua sisätilaa, joka erottuisi prosessiikkunalla ulkotilasta.

Lyhyt selostus

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan optinen mittapää, joka on passiivinen, pienikokoinen, kevyt, lämpötilasietoinen, helposti asennettava, kustannustehokas ja jossa on mukana integroitu puhtaanapitorakenne.

Keksinnön kohteena on itsenäisen vaatimuksen 1 mukainen menetelmä sekä 20 itsenäisen vaatimuksen 6 mukainen mittapää.

Passiivinen optinen mittapää mahdollistaa mittaukset paikoista, joihin perinteisten anturien laittaminen ei helposti onnistu. Optinen ratkaisu tekee mittauksesta ympäristösietoisen, mikä näkyy laajana käyttölämpötila-alueena. 25 Integroitu pneumaattinen puhtaanapitorakenne mahdollistaa mittapään käyttämisen erittäin likaisissa ja pölyisissä olosuhteissa. Ylipaineisen ilman syöttäminen kuitujen suojaputken kautta mittapään sisäosaan estää kuitujen vanhenemisen. Keksinnöllä saavutetaan useita muitakin etuja, kuten esimerkiksi optisten mittapäiden helppo asennettavuus ja etäisyyden säätö. Kevyen painon ja 30 kaapelointirakenteen takia optinen mittapää voidaan myös siirtää paikasta toiseen tai käyttää liikkuvissa rakenteissa ja laitteissa. Aaltopahvikoneen

20160246 prh 31 -12- 2019 viitekehyksessä nämä ominaisuudet mahdollistavat useiden mittauksien avulla esimerkiksi aaltopahvikoneella pahvin käyristymien paremman hallinnan.

Kuvioluettelo

Keksintöä, jota ei ole rajoitettu seuraavassa esitettäviin sovellusmuotoihin, selostetaan tarkemmin viittaamalla oheisiin kuviin, joissa

Kuva 1 esittää periaatteellista esimerkkiä optisen mittapään toiminnasta sivulta päin nähtynä,

Kuva 2 esittää erästä sovellusmuotoa mittapäästä sivulta päin nähtynä,

Kuva 3 esittää optisen monikanavaisen mittausjärjestelmän toimintaperiaatetta, ja

Kuva 4 esittää karkealla tasolla optisten mittapäiden sijoituspaikkoja aaltopaperikoneessa.

Suoritusmuotojen kuvaus

Kuva 1 esittää periaatteellista esimerkkiä optisesta mittapäästä 10 sivulta päin nähtynä. Laitteeseen kuuluu puhtaanapitorakenne 11, joka koostuu paineilmasyötöstä P1 sekä diffuusorista 20, mittausoptiikka 13 ja kuiturakenteet, joita ovat kuitupäätteet 14 ja 15 sekä optiset kuidut 16 ja 17. Kuidut kulkevat suojaputkissa 18, joka kytkeytyy liittimellä 19 mittapäähän. Mittapään ympärillä on jengat 21, joihin liitetyillä muttereilla 22 ja 22’ laite voidaan kiinnittää kiinnitysrautaan. Mittapään välittämä valo 29 kulkee prosessi-ikkunan 12 ja mittausaukon 25 kautta mittauskohteeseen 1 ja heijastuu takaisin. Kuvassa näkyy myös optinen mittausetäisyyden vaihtelualue 26, sekä mittausaukon etäisyys 27 mitattavasta kohteesta.

20160246 prh 31 -12- 2019

Kuva 2 esittää erästä keksinnön sovellusmuotoa, jossa optisen mittapään 10 rungon sisään, 45 asteen kulmaan asennetulla peilillä 30 heijastetaan valonsädettä 29 niin että mitattava kohde 1 voi olla mittapään sivulla.

Kuvassa 3 on optinen monikanavainen mittausjärjestely, jossa useita mittapäitä 10, 10’ ja 10” on liitetty yhteen mittausyksikköön 300. Mittausyksikkö koostuu valonlähteistä 302 sekä vastaanottimesta 301. Mittausyksikön ylipaine P2 välittyy mittapäille suojaputkia 18, 18', 18” pitkin. Suojaputkissa kulkevat myös kuidut 16, 17, 16’, 17’ 16” ja 17”. Yhteen mittausyksikköön voidaan tarpeesta riippuen liittää eri määrä mittapäitä.

Kuvassa 4 on esitetty karkealla tasolla optisten mittapäiden 10 esimerkillisiä sijoituspaikkoja aaltopaperikoneessa 400. Aaltopaperikoneesta erottuvat aukirullaimet 401, aallottajat 402 sekä liima-asema 403.

Kuvan 4 esittämien paikkojen ei katsota olevan ainoita paikkoja, joissa keksinnön optista mittapäätä voidaan käyttää. Muut mahdolliset sijoituspaikat riippuvat prosessista, mittaustarpeista sekä prosessin ohjauksen tarvitsemista signaaleista.

Optinen mittapää koostuu sylinterimäisestä rungosta 10, optiikasta 13, kuitupäätteistä 14, 15, puhtaanapitorakenteesta 11 sekä tarvittavista kiinnitysrakenteista 21 ja osista 22,19. Lisäksi mahdolliset sisäiset kiinnikkeet ja tiivisteet, jotka eivät vaikuta itse mittaustapahtumaan. Mittausta varten tarvittava valo syötetään mittapäälle kuidulla 16 ja heijastunut valo palaa kuidulla 17.

Molemmat kuidut kulkevat ylipaineistetussa suojaputkessa 18, joka voi olla esimerkiksi paineilmaletkua. Prosessi-ikkuna 12 on sijoitettu runkoon niin, että prosessi-ikkunan toisella puolella 12a on mittauskohteen 1 ympäristöolosuhteet ja toisella puolella 12b mittapään sisäilma.

20160246 prh 31 -12- 2019

Mittaus perustuu suomalaisessa patenttihakemuksessa FI20145625 kuvattuun spektroskopiaan. Kyseessä olevalla tekniikalla voidaan mitata mm. kosteutta, muovipinnoitteita, erikoispäällysteitä tai himoja.

Optiseen mittapäähän on integroitu puhtaanapitorakenne 11, jonka tehtävänä on pitää prosessi-ikkunan 12 mitattavan kohteen 1 puoleinen pinta 12a puhtaana. Puhtaanapito perustuu paineilmaan P1 joka syötetään diffuusorin 20 läpi prosessi-ikkunan 12 eteen niin että ikkunan eteen muodostuva ilmavirta estää pölyn, roskien, kosteuden tai muiden aineiden pääsemisen ikkunaan pintaan 12a.

Paineilma voi olla 1-6 bar ilmaa. Diffuusori 20 on sylinterimäinen rakenne, jolla paineilman ulostulovirtaus saadaan tasaiseksi koko mittausaukon 25 alueella. Diffuusori voidaan toteuttaa hilaratkaisulla, verkolla, palkistolla tai muulla mekaanisella esteellä, joka estää paineilman suoran puhalluksen. Paineilma poistuu mittausaukon 25 kautta.

Optinen mittapää ja kuidut paineistetaan tuottamalla mittausyksiköön 300 pieni ylipaine P2, esimerkiksi 5-20 kPa ja jakamalla tämän suojaputkien 18 kautta optiselle mittapäälle. Paineilmaletkuissa kulkevat kuidut ovat saman ylipaineen vaikutuksessa. Ylipaine muodostetaan kuivasta ilmasta mikä näin estää 20 valokuitujen vanhenemista.

Optinen mittapää 10 on sijoitettava sopivalle etäisyydelle mitattavasta kohteesta 1 jotta optiikan 13 tarjoama mittaus etäisyys 27 olisi käytössä. Mittausetäisyys 27 määritellään mittausaukon 25 etäisyydellä mitattavasta kohteesta 1.

Mittausetäisyys voi olla 10 - 150 mm tai 20 - 300 mm tai 200 - 1000 mm. Mittausetäisyys ja vaihtelualue optimoidaan prosessin mukaan. Mitattava kohde voi liikkua mittauksen aikana mittaus etäisyyden sisällä.

Optisen mittapään kiinnitys tapahtuu kahdella mutterilla 22 ja 22’, jotka liikkuvat mittapään rungossa olevalla kierteellä Qenka) 21. Mutterien avulla mittapää voidaan kiinnittää kiinnitysrautaan, jossa on mittapään kokoinen reikä. Mittapään etäisyys mitattavasta kohteesta voidaan hienosäätää kierteen mittaisella alueella.

Erään sovellusmuodon mukaan optiseen mittapäähän lisätään ennen 5 ulostuloaukkoa peili 30 45° kulmaan, jolla poikkeutetaan valon kulku kohti mittapään sivua. Tämä mahdollistaa mittapään sijoittamisen paikkoihin, joissa mitattava kohde sijaitsee mittapään sivulla. Integroitu puhtaanapitorakenne sijaitsee peilin ja ulostuloaukon välissä ja mahdollistaa näin mittauksen myös likaisissa olosuhteissa.

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja siihen liittyvät kuvat on tarkoitettu ainoastaan havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Keksintöä ei siten ole rajattu pelkästään edellä esitettyihin tai patenttivaatimuksissa määriteltyihin suoritusmuotoihin, vaan alan ammattimiehelle tulevat olemaan ilmeisiä monet 15 erilaiset keksinnön variaatiot ja muunnokset, jotka ovat mahdollisia oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (8)

PATENTTIVAATIMUKSET

1. Menetelmä optisen mittapään (10) käyttämiseksi rainamaisten kohteiden mittaamiseen, jossa mittauskohteen (1) valaisu, sekä mittaustieto välitetään

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauskohteena on paperiraina, selluraina tai kartonkiraina.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattava 15 suure on kosteus.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattava suure on muovipinnoitteiden heijastus.

20 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optisen mittapään mittausaukon (25) etäisyys mitattavasta kohteesta (1) on 10 150 mm.

5 (1).

5 kohteesta käyttäen mittausoptiikkaa (13), optisia kuituja (16, 17) sekä niiden päätteitä ja jossa passiivisen mittapään prosessi-ikkuna (12) pidetään puhtaana syöttämällä paineilmaa puhtaanapito rakenteiden (11) läpiprosessi-ikkunan eteen, tunnettu siitä, että mittapää pidetään ylipaineistettuna optisten kuitujen suojaputken (18) kautta jaettavalla paineilmalla.

6. Optinen mittapää (10) vaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi 25 johon mittapäähän kuuluu mittausoptiikka (13) sekä optiset kuidut (16,17) ja kuitupäätteet (14,15) mittauskohteen (1) valaisuun ja mittaustiedon välittämiseen sekä passiiviseen mittapäähän integroidut pneumaattiset puhtaanapitorakenteet (11) prosessi-ikkunan (12) puhtaanapitoa varten, tunnettu siitä, että mittapään sisäosa on yhtenäistä ylipaineistettua tilaa optisten 30 kuitujen suojaputken (18) kanssa ja erotettu prosessi-ikkunalla (12) mitattavan kohteen tilasta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen optinen mittapää (10), tunnettu siitä, että runkoon on tehty kierre (21) ja kierteeseen liitetyillä muttereilla (22, 22’) voidaan mittapää kiinnittää oikealle optiselle etäisyydelle (27) mittauskohteesta

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen optinen mittapää (10), tunnettu siitä, että optinen näkyvyys mittauskohteeseen on toteutettu peilin (30) kautta, joka kääntää mittauskulman 90 astetta.