ITMI20071250A1 - Dispositivo per misurare lo spessore di uno strato di materiale - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
di Brevetto per Invenzione Industriale,
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo per misurare lo spessore di uno strato di materiale. In particolare, la presente invenzione è relativa ad un dispositivo per misurare lo spessore di un impasto di cellulosa in una macchina per la produzione di carta.
Come è noto, in una macchina per la produzione di carta, uno strato di impasto di cellulosa, formato per circa il 3% da fibra e cariche minerali e per circa il 97% da acqua, viene avanzato lungo un percorso di produzione della carta.
Tale percorso di produzione attraversa, in successione, una sezione di formazione e drenaggio dello strato di impasto di cellulosa, una sezione di pressatura che dà luogo ad un foglio di carta ed una sezione di essiccazione del foglio di carta .
Una prima porzione del percorso di produzione che attraversa la sezione di formazione e drenaggio definisce un percorso di drenaggio, lungo il quale lo strato di impasto di cellulosa avanza posato su di una tela che ruota ad anello, comunemente chiamata "tela di formazione". Al di sotto della tela di formazione e a contatto con il rovescio della tela stessa, sono disposte, ad una distanza predefinita l'una dall'altra, una pluralità di lame (chiamate comunemente "foils") e una pluralità di unità aspiranti. Le lame e le unità aspiranti sono atte a rimuovere l'acqua contenuta tra le fibre dello strato di impasto di cellulosa e che attraversa la tela di formazione durante l'avanzamento della tela stessa. In particolare, le lame rimuovono l'acqua che drena dalla tela di formazione per asportazione meccanica, mentre le unità aspiranti eliminano l'acqua mediante applicazione del vuoto.
Un'elevata efficienza della sezione di formazione e drenaggio riduce il costo delle operazioni di pressatura ed essicazione effettuate a valle della sezione di formazione e drenaggio.
Esistono in commercio dispositivi portatili per controllare l'efficienza della stazione di formazione e drenaggio, i quali generalmente misurano lo spessore dello strato di impasto di cellulosa o la quantità di acqua contenuta nello strato di impasto di cellulosa.
Tali dispositivi comprendono generalmente un'asta sulla quale è montata una testa di lettura provvista di un sensore, il quale viene posizionato manualmente a contatto della superficie inferiore della tela tra un'unità aspirante e l'altra in modo da rilevare lo spessore dello strato di impasto di cellulosa che si trova al di sopra della tela di formazione.
Tali dispositivi impiegano vari tipi di sensori, per esempio sensori che sfruttano la tecnologia GBS (Gamma Back Scattering) per rilevare la consistenza del materiale con cui vengono a contatto. Tale tecnologia è accurata, ma necessita di una sorgente radioattiva all'interno della testa di lettura risultando di conseguenza costosa e di non pratico utilizzo a causa dei problemi legati alla radioattivita'. Altri sensori sfruttano gli ultrasuoni e risultano, invece, meno costosi dei precedenti, ma difficilmente utilizzabili e caratterizzati da una scarsa accuratezza di lettura soprattutto in un ambiente quale quello di una macchina da carta.
Sono noti inoltre dei dispositivi portatili che impiegano sensori a microonde, i quali stimano la quantità di acqua contenuta nel materiale a partire dalla risposta in frequenza del materiale stesso. Tali sensori tuttavia sono dotati di una camera di risonanza realizzata con materiali a base di leghe metalliche molto costose, in quanto è necessario minimizzare gli effetti di espansione o di contrazione termica. In tali sensori, infatti, l'espansione o la contrazione termica provoca uno spostamento della frequenza di risonanza che va ad incidere sulla risposta e quindi sull'accuratezza della misura del sensore stesso. Inoltre, il campo di microonde emesso da sensori di questo tipo ha una forma poco definita ed ha una limitata capacità di penetrazione all'interno dello strato di materiale; pertanto tali sensori non possono essere utilizzati con elevati spessori dello strato di materiale .
Infine, la camera di risonanza di tali sensori a microonde presenta delle dimensioni minime che non consentono l'integrazione del sensore all'interno delle lame della sezione di formazione e drenaggio.
Scopo della presente invenzione è realizzare un dispositivo per misurare lo spessore di uno strato di materiale contenente acqua, ed in particolare lo spessore di uno strato di impasto di cellulosa per la produzione di carta, il quale sia esente dagli inconvenienti sopra descritti e, nello stesso tempo, sia di facile ed economica realizzazione.
In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad un dispositivo per misurare lo spessore di uno strato di materiale come rivendicato nella rivendicazione 1.
È inoltre uno scopo della presente invenzione quello di realizzare una macchina per la produzione di carta comprendente il dispositivo per misurare lo spessore di uno strato di materiale al fine di monitorare la fase di drenaggio nella sezione di formazione e drenaggio della macchina.
In accordo con tali scopi la presente invenzione è relativa ad una macchina per la produzione di carta come rivendicato nella rivendicazione 6.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:
la figura 1 mostra uno schema a blocchi semplificato del dispositivo per la misura di uno strato di materiale secondo la presente invenzione;
la figura 2 mostra un particolare del dispositivo di figura 1;
la figura 3 mostra una sezione di formazione e drenaggio di una macchina per la produzione di carta;
la figura 4 è una rappresentazione schematica prospettica, con parti asportate per chiarezza, di una forma di realizzazione del dispositivo di figura 1; e
la figura 5 è una rappresentazione schematica prospettica, con parti asportate per chiarezza, di una alternativa forma di realizzazione del dispositivo di figura 1.
In figura 1 è rappresentato con il numero di riferimento 1 un dispositivo per misurare lo spessore di uno strato di materiale secondo la presente invenzione . Il dispositivo 1 comprende una testa di lettura 2 e un'unità di controllo 3, le quali sono collegate tra loro per esempio mediante un cavo di connessione 4.
La testa di lettura 2 comprende un sensore a microonde 6, un sensore di temperatura 7 ed un convertitore analogico digitale A/D 8, ed è atta ad essere posta sostanzialmente a contatto di uno strato di materiale (illustrato in figura 2) per misurarne lo spessore .
In particolare, il sensore a microonde 6 comprende un trasmettitore a microonde ed un ricevitore a microonde (noti e non illustrati per semplicità nelle figure allegate) per rispettivamente inviare un segnale sullo strato di materiale e rilevare una risposta al segnale inviato. In particolare, il sensore a microonde 6 comprende un circuito risonatore del tipo a fessura (non illustrato) caratterizzato da una curva di risposta in frequenza sostanzialmente centrata attorno ad una frequenza di risonanza, in corrispondenza della quale si ha un valore minimo di ampiezza.
Il sensore a microonde 6 è di tipo planare, dove per sensore di tipo planare si intende un sensore comprendente un circuito risonatore a fessura accoppiato ad una linea di trasmissione planare tramite accoppiamento elettromagnetico. Preferibilmente, il circuito risonatore è realizzato mediante geometrie di tipo frattale o pseudo-frattale.
In particolare, tale sensore è genericamente piatto e ha una zona attiva di emissione sostanzialmente ellittica la quale emette un campo elettromagnetico di forma ben definita, la cui componente ortogonale al sensore è mostrata in figura 2 .
La presenza di un materiale nelle vicinanze del sensore a microonde 6 modifica la curva di risposta in frequenza del circuito risonatore, in termini di spostamento della frequenza di risonanza e quindi di variazione dell'ampiezza minima, in modo dipendente dalle caratteristiche fisiche del materiale stesso. Questa variazione della frequenza di risonanza del circuito risonatore è legata essenzialmente alla costante dielettrica del materiale analizzato; pertanto, per una determinata costante dielettrica, la variazione della frequenza di risonanza è legata allo spessore del materiale e ad altre caratteristiche chimico-fisiche legate direttamente o indirettamente alla costante dielettrica.
Con riferimento nuovamente alla figura 1, il sensore di temperatura 7 è di tipo noto, ed è in grado di rilevare valori di temperatura direttamente o indirettamente dallo strato di materiale.
Il convertitore A/D 8 è collegato al sensore a microonde 6 e al sensore di temperatura 7, e converte i segnali analogici provenienti da tali sensori in segnali digitali da alimentare all'unità di controllo 3. Secondo un aspetto preferito dell'invenzione, il convertitore A/D 8 è disposto in prossimità del sensore a microonde 6.
L'unità di controllo 3 comprende un pannello di controllo 10, un'unità di memoria 13 ed un'unità di elaborazione 14.
Il pannello di controllo 10 è provvisto generalmente di un display (non illustrato per semplicità nelle figure allegate) per visualizzare i dati relativi alla misura in corso ed eventualmente le statistiche e gli andamenti nel tempo relativi alle misure precedenti.
L'unità di memoria 13 è atta a memorizzare i dati relativi alle misure effettuate dalla testa di lettura 2, nonché dati di taratura del sensore a microonde 6 e/o del sensore di temperatura 7.
L'unità di elaborazione 14 è atta ad elaborare i dati provenienti dal sensore a microonde 6, dal sensore di temperatura 7 e dall'unità di memoria 13 ed è interfacciabile con l'esterno, ad esempio con altri sistemi elettronici di controllo.
Nelle figure 3 e 4, è illustrata una preferita forma di realizzazione del dispositivo 1 applicabile nel campo dell'industria cartiera. In particolare, il dispositivo 1 è utilizzato per la misura dello spessore di uno strato di impasto di cellulosa 20, formato per circa il 3% da fibra e cariche minerali e per circa il 97% da acqua.
In figura 3 è illustrata una porzione di una macchina 21 per la produzione di carta, in particolare una sezione di formazione e drenaggio 22 della macchina 21 per la produzione di carta, nella quale è disposta una tela di formazione 24 che ruota ad anello lungo un percorso P. Il percorso P è definito da un primo tratto PI superiore, il quale si estende sostanzialmente lungo una direzione D rettilinea ed orizzontale, e da un secondo tratto P2 inferiore di ritorno, ottenuto mediante il passaggio della tela di formazione 24 tra una pluralità di cilindri 25. Su una superficie esterna ("dritto") della tela di formazione 24, sostanzialmente lungo il primo tratto PI del percorso P è disposto lo strato 20 di impasto di cellulosa che viene supportato e trasportato dalla tela di formazione 24.
Al di sotto della tela di formazione 24, sostanzialmente lungo il primo tratto PI del percorso P e a contatto con una superficie interna ("rovescio") della tela di formazione 24 stessa, è disposta una pluralità di lame 28, sostanzialmente parallele, atte a rimuovere uno strato acquoso dello strato di impasto di cellulosa 20 che drena dalla tela di formazione 24. L'acqua presente nello strato di impasto di cellulosa 20 tende, infatti, ad attraversare le fibre dello strato di impasto di cellulosa 20 e la tela di formazione 24 e a generare uno strato acquoso sul rovescio della tela di formazione 24.
Le lame 28 sono suddivise in gruppi 29 spaziati lungo la direzione D, per esempio a distanza regolare l'uno dall'altro. All'interno di ciascun gruppo 29, le lame 28 sono spaziate lungo la direzione D e per esempio disposte ad una distanza regolare l'una dall'altra.
La figura 4 mostra per semplicità solo due lame 28 di un gruppo 29. Ciascuna lama 28 si estende sostanzialmente lungo un asse A longitudinale, sostanzialmente ortogonale alla direzione D, per una lunghezza leggermente superiore alla larghezza della tela di formazione 24 ed ha una forma sostanzialmente cuneiforme caratterizzata dalla presenza di uno spigolo vivo 30 atto ad asportare meccanicamente lo strato acquoso che drena dal rovescio della tela di formazione 24.
Ciascuna lama 28 è disposta ortogonalmente alla direzione D del primo tratto PI del percorso P al disotto della tela di formazione 24 con lo spigolo vivo 30 a contatto con il rovescio della tela di formazione 24. In particolare, lo spigolo vivo 30 è portato da una porzione 31 di estremità, preferibilmente sostanzialmente piatta, della lastra 28 cooperante a contatto, in uso, con il rovescio della tela di formazione 24.
La porzione 31 è provvista di una testa di lettura con un sensore 2 del dispositivo 1 secondo la presente invenzione. In particolare, la testa di lettura 2 è integrata nella lama 28 in modo tale che il sensore a microonde 6 ed il sensore di temperatura 7 della testa di lettura 2 siano disposti superficialmente ed affacciati al rovescio della tela di formazione 24. Nell'esempio non limitativo di figura 4, la testa di lettura 2 è disposta sulla superficie della porzione 31 affacciata al rovescio della tela di formazione 24 ed è coperta da uno strato 32 sottile preferibilmente in materiale ceramico.
Ciascuna testa di lettura 2 integrata nella rispettiva lama 28 è in collegamento con una rispettiva unità di controllo 3 mediante un cavo di connessione 4, parzialmente integrato nella lama 28.
Secondo una variante non illustrata, più teste di lettura 2 o tutte le teste di lettura 2 delle lame 28 sono collegate ad una unità di controllo 3, la quale elabora i dati provenienti dalle diverse teste di lettura 2 e li visualizza su un unico display.
La figura 5, in cui parti uguali a quelle già mostrate in precedenza sono indicate con gli stessi numeri di riferimento, mostra un dispositivo lb secondo una diversa forma di realizzazione del dispositivo del trovato, applicato ad una lama 28 del tutto analoga a quelle descritte in precedenza. Il dispositivo lb comprende un array 35 di teste di lettura 2 disposto sostanzialmente nella porzione 31 di una lama 28. L'array 35 si estende parallelamente all'asse A della lastra 28 e sostanzialmente per tutta la lunghezza della lama 28 e comprende un numero di teste di lettura 2 variabile a seconda della lunghezza della lama 28 e della precisione nella misura richiesta; in figura 4, a puro titolo esemplificativo, l'array 35 comprende tre teste di lettura 2 affiancate una all'altra parallelamente all'asse A. Anche in questo caso, ciascuna testa di lettura 2 comprende un sensore a microonde 6 ed un sensore di temperatura 7.
Una variante non illustrata, prevede che l'array comprenda un solo sensore di temperatura e un numero variabile di teste di lettura, ciascuna delle quali comprende un sensore a microonde.
Tutte le teste di lettura 2 di uno stesso array 35 sono collegate ad una unità di controllo 3 mediante uno o più cavi di connessione 4.
Secondo una variante non illustrata, tutte le teste di lettura 2 degli array 35 di più lame 28 o di tutte le lame 28 sono collegate ad una unità di controllo 3, la quale elabora i dati provenienti dalle diverse teste di lettura 2 e li visualizza su un unico display.
Una terza forma di realizzazione non illustrata nelle figure allegate prevede che una parte delle lame sia provvista di un dispositivo, comprendente un array di teste di lettura, per ogni lama e che la restante parte delle lame, o alcune lame della restante parte, sia provvista di una sola testa di lettura per ogni lama.
In uso, il sensore a microonde 6 di ciascuna testa di lettura 2 rileva una risposta in frequenza dello strato di impasto di cellulosa 20 e il sensore di temperatura 7 rileva la temperatura dello strato di impasto di cellulosa 20; i dati relativi alla risposta in frequenza e alla temperatura dello strato di impasto di cellulosa 20 vengono digitalizzati dal convertitore A/D 8 e inviati all'unità di controllo 3, la quale li elabora, secondo algoritmi noti, per fornire lo spessore dello strato di impasto di cellulosa 20 e la quantità di acqua contenuta nello strato di impasto di cellulosa 20.
L'unità di controllo 3 è preferibilmente collegata con il sistema di controllo (non illustrato nelle figure allegate) della macchina per la produzione di carta 21 per inviare i dati rilevati. In tal modo il sistema di controllo della macchina 21 è in grado di rispondere ad eventuali anomalie della fase di drenaggio della sezione di formazione e drenaggio 22. Ad esempio, se un sensore a microonde 6 di un array 35 rileva un contenuto di acqua troppo elevato nella porzione di strato di impasto di cellulosa 20 a cui è affacciato, invia un segnale al sistema di controllo della macchina 21, il quale provvede a ridurre la portata di acqua nella porzione identificata.
La presente invenzione presenta i seguenti vantaggi .
Innanzitutto, l'impiego di un sensore a microonde di tipo planare nel dispositivo dell'invenzione consente di ottenere la generazione di un campo di microonde maggiormente omogeneo e dotato di un'elevata capacità di penetrazione rispetto a quello ottenibile con i sensori a microonde tradizionalmente utilizzati. In particolare, il campo elettromagnetico del sensore di tipo planare del dispositivo secondo la presente invenzione è definibile sia nella forma che nel comportamento grazie al fatto che il circuito risonatore a fessura è realizzato mediante geometrie di tipo frattale o pseudo-frattale.
In secondo luogo, i sensori a microonde di tipo planare sono vantaggiosamente meno sensibili alle variazioni di temperatura rispetto ai sensori a microonde tradizionalmente utilizzati, in quanto nei sensori a microonde di tipo planare la camera di risonanza presenta dimensioni ridotte e subisce in maniera minima gli effetti dell'espansione o della contrazione termica.
Inoltre, l'accoppiamento quasi diretto tra il sensore a microonde ed il convertitore analogico digitale consente di ottenere una maggiore precisione della misura. Infatti, le linee che conducono il segnale analogico dal sensore al convertitore sono molto brevi e quindi meno soggette ai disturbi determinati dai campi elettromagnetici esterni al dispositivo. Quest'ultimo aspetto, unito alle dimensioni ridotte dei sensori a microonde di tipo planare (al massimo di circa il 50% rispetto ad un sensore a microonde tradizionale), consente di ampliare i campi di applicazione del dispositivo secondo la presente invenzione. Il sensore a microonde di tipo planare è, ad esempio, integrabile nelle lame di una macchina per la produzione di carta atte ad asportare l'acqua dalla tela di formazione durante il passaggio nella sezione di formazione e drenaggio. Mediante tale dispositivo è quindi possibile valutare in maniera omogenea la quantità di acqua presente nello strato di impasto di cellulosa e quindi valutare l'omogeneità del foglio di carta che si sta formando. In particolare, la presenza di array di teste di lettura consente una "scansione" trasversale dello strato di impasto di cellulosa che consente di ottenere importanti informazioni sulla qualità del drenaggio.
Risulta infine evidente che al dispositivo e alla macchina qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall'ambito delle rivendicazioni allegate.
Claims (18)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1; lb) per misurare lo spessore di uno strato di materiale (20), comprendente mezzi di lettura (2), i quali comprendono un sensore a microonde (6), e mezzi di controllo (3) collegati ai mezzi di lettura (2); il dispositivo (1; lb) essendo caratterizzato dal fatto che il sensore a microonde (6) è un sensore a microonde di tipo planare.
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di lettura (2) comprendono un convertitore analogico digitale A/D (8) collegato al sensore a microonde (6) e disposto in prossimità del sensore a microonde (6).
- 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che i mezzi di lettura (2) comprendono almeno un sensore di temperatura (7).
- 4 . Dispositivo secondo la rivendicazione 3 dipendente dalla 2, caratterizzato dal fatto che convertitore analogico digitale A/D (8) è collegato al sensore di temperatura (7).
- 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di lettura (2) comprendono una pluralità di sensori a microonde (6).
- 6. Macchina (21) per la produzione di carta comprendente : una tela di formazione (24) che ruota ad anello lungo un percorso (P) e atta a trasportare uno strato di impasto di cellulosa (20); una pluralità di lame (28), ciascuna delle quali si estende lungo un asse (A) ed è dotata di uno spigolo vivo (30) atto a rimuovere uno strato acquoso dello strato di impasto di cellulosa (20) che drena dalla tela di formazione (24); la macchina (21) essendo caratterizzata dal fatto di comprendere almeno un dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per misurare lo spessore dello strato di impasto di cellulosa (20).
- 7. Macchina secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che almeno una lama (28) porta i mezzi di lettura (2) del dispositivo (1).
- 8. Macchina secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che i mezzi di lettura (2) sono disposti in una porzione (31) della lama (28), comprendente lo spigolo vivo (30), cooperante a contatto, in uso, con la tela di formazione (24).
- 9. Macchina secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che i mezzi di lettura comprendono almeno una testa di lettura (2) comprendente un sensore a microonde (6).
- 10. Macchina secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto la testa di lettura (2) è disposta nella porzione (31) della lama (28) in modo tale che il sensore a microonde (6) sia disposto superficialmente ed affacciato alla tela di formazione (24).
- 11. Macchina secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che i mezzi di lettura comprendono un array (35) di teste di lettura (2).
- 12. Macchina secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che le teste di lettura (2) dell'array (35) sono disposte nella porzione (31) della lama (28) parallelamente all'asse (A) della lastra (28).
- 13 . Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, caratterizzata dal fatto che i mezzi di controllo comprendono una pluralità di unità di controllo (3); ciascuna testa di lettura (2) essendo in collegamento (28) con una rispettiva unità di controllo (3).
- 14 . Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, caratterizzata dal fatto che i mezzi di controllo comprendono un'unità di controllo (3); tutte le teste di lettura (2) essendo in collegamento (28) con l'unità di controllo (3).
- 15. Macchina secondo la rivendicazione 11 o 12 caratterizzata dal fatto che i mezzi di controllo comprendono una pluralità di unità di controllo (3); le teste di lettura (2) di uno o più array (35) essendo collegate ad una rispettiva unità di controllo (3).
- 16 . Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 15, caratterizzata dal fatto che i mezzi di controllo (3) del dispositivo (1; lb) sono configurati per calcolare e memorizzare lo spessore di uno strato di impasto di cellulosa (20).
- 17. Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 16, caratterizzata dal fatto di comprendere un sistema di controllo collegato ai mezzi di controllo (3) del dispositivo (1; lb).
- 18. Uso del dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5 per misurare lo spessore di uno strato di impasto di cellulosa (20).
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