NO325731B1 - Raffinorkraftsensor - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse relaterer seg til en raffinørkraftsensor for raffinører som anvendes i tremasse og papirindustrien, en raffinøranordning og en fremgangsmåte for å måle krefter som virker på en raffinørribbe i en raffinør.

Raffinører eller valsemøller blir brukt for å produsere masse av treflis eller å modifisere de mekaniske egenskapene til trefibre ved gjentagende ganger å påtrykke krefter på materialet som behandles ved hjelp av ribber montert på to motstående overflater som beveger seg i forhold til hverandre.

Raffinører er i vanlig bruk i masse- og papirindustrien for gjentagende ganger å utsette trefibre eller treflis for spenninger og deformasjoner. I tilfellet der treflis blir behandlet er formålet vanligvis å reparere trefibre fra hverandre for å frembringe tremasse som senere skal benyttes til papirfremstilling eller fremstilling av sammensatte treprodukter slik som harde trefiberplater. Denne prosessen blir generelt utført ved høy temperatur og trykk i et dampmiljø siden det produseres en stor mengde damp i raffinøren av varmen som sprer seg under behandling av materialet. Grove masser produsert på en slik måte kan også bearbeides ytterligere på en tilsvarende måte for å forbedre noen av egenskapene til fibrene. Eksempler på dette er den vanlig brukte praksisen å utsette masse for et andre male- eller raffineringstrinn, eller siling etterfulgt av avvisningsmaling. Lavkonsistens- eller gjennomstrømningsraffinører blir også brukt for å behandle massevellinger ved konsistenser opptil omtrent 5%. I dette tilfellet er siktemålet generelt å påvirke og deformere trefibre for å forbedre noen av deres egenskaper.

En rekke forskjellige driftsforhold benyttes i industrielle raffinørsystemer, men et antall designtrekk er felles for alle raffinører. Raffinørskiver er utstyrt med plater som har vekslende mønstere av ribber og spor. Ribbene til motstående plater er separert av et lite gap som kan justeres, og i det minste en av skivene roterer. Masse forflytter seg gjennom en raffinør i formen av fiberagglomerater som gjentagende ganger blir komprimert og kuttet mellom ribbene til motstående plater når disse passerer forbi hverandre. Alle raffinører bruker således energi på fibre ved en gjentatt påføring av kompresjon og skjærkrefter som virker på fiberagglomeratene.

For å kvantisere virkningene som disse kreftene har på de individuelle massene, må det foretas en måling av malingsgraden. Tradisjonelt har denne målingen eller måleverdien ganske enkelt vært den spesifikke energien, som er den totale energien matet inn i massen per ovntørket masse av fiber. Det er imidlertid vidt kjent at denne parameteren ikke er tilstrekkelig til fullstendig å karakterisere malevirkningen, siden svært forskjellige masseegenskaper kan tilveiebringes ved det samme nivået av spesifikk energi under forskjellige maleforhold. En rekke fremgangsmåter er foreslått for å bruke en ytterligere parameter for å karakterisere virkningen av raffinørene. Den ytterligere parameteren tar vanligvis sikte på å kvantisere i hvor stor grad ribbene støter. Dette oppnås på forskjellig måter med hver fremgangsmåte, men virkningen av ribbestøt blir generelt uttrykt som en spesifikk energi per støt. Energibaserte karakteriseringer har imidlertid ulemper eller mangler når det gjelder identifisering av mekanismene hvorved maling finner sted. Energi kan brukes på massefibre på en rekke måter og fremgangsmåten for energipåføring, dvs. kreftene, kan ha en vesentlig innvirkning på massens sluttegenskaper. Giertz, H.W. ("A new way to look at the beating process", Norske Skogindustri 18(7):239-248,1964) foreslo at forskjellige malevirkninger kunne forklares av den relative størrelsen til de påtrykte kreftene. På tilsvarende måte har, Page, D.H. ("The beating of chemical pulps - The action and effects", i Fundamentals of Papermaking: Transactions of theFundamental Research Symposium held at Cambridge, F. Bolam redaktør, Fundamental Research Committee, British Paper and Board Makers' Association, Volum 1, pp. 1-38,1989), foreslått at en fullstendig forståelse av maleprosessen vil kreve kunnskap om den gjennomsnittlige spennings-deformasjonshistorien til individuelle fibre.

Tidlige arbeidsstudier på krefter fokusertepå måling av trykket på raffinørribbeoverflater. To av disse studiene var i lavkonsistensapplikasjoner (Goncharov, V.N., "Force factors in a disk refiner and their effect on the beating process", English translation, Bum. Promst. 12(5):12-14,1971; og Nordman, L., Levlin, J.-E., Makkonen, T., og Jokisalo, H., "Conditions in an LC-refiner as observed by physical measurements", Paperija Puu 63 (4):169-180,1981), mens én var på høykonsistens (Atack, D., "Towards a theory of refiner mechanical pulping", Appita Journal 34(3): 223-227,1980). De grove eller skjærende forhold som er til stede i malesonen til kommersielle raffinører har vist seg å være for alvorlige for standard trykksensorer. Generelt feiler disse i løpet av noen driftsminutter under disse forholdene.

Til tross for manglene ved standard trykt sensorer er den foreslåtte fremgangsmåte av kaldstrøm (International Patent Publication No. W097/38792) å bruke dem i tilknytning til temperatursensorer, for å regulere driften av høykonsistensflisraffinører. I den foreslåtte kontroll- eller styreprosedyren blir massestrømningshastigheten av flis og fortynningsvannstrømningsmengden til raffinøren, så vel som trykket som påføres for å regulere gapet mellom raffinørskivene, justert som respons på målte trykkverdier og temperatur i male eller raffinørsonen. Hensikten med fremgangsmåten er å kontrollere eller styre temperaturen og trykkprofilen over malesonen for å opprettholde ønskede verdier på disse parameterne. WO 97/38792 vedrører også en fremgangsmåte for å kontrollere eller styre spesifikke masseegenskaper ved å heve eller senke temperaturen i malesonen. I den internasjonale patentpublikasjonen WO 98/48936, foreslår Karlstrom et arrangement av slike temperatur og trykksensorer for installasjon i en raffinør. WO 97/38792 og WO 98/48936 vedrører bare flismaleprosessen.

Trykket målt på måten beskrevet i fremgangsmåten ovenfor skyldes ikke direkte mekaniske krefter påført massen i raffinørsonen. Den skyldes snarere til stedeværelsen av damp produsert som et resultat av den store mengden mekanisk energi som brukes i raffinøren og som blir spredt som varme. Mens damptrykket avhenger av mengden energi spredt lokalt i malesonen, er det også sterkt avhengig av hvor lett dampen kan unnslippe raffinøren langs den radiale retningen.

US patent nr. 5747707 til Johansson og Kjellqvist foreslo bruken av en eller flere sensorribber i en raffinør. Sensorribbene er utstyrt med deformasjonsmålere for å måle belastningen på et antall punkter langs deres lengde. Ved å montere flere deformasjonsmålere i hvert punkt foreslår forfatterne at spenningene på en ribbe kan inndeles i belastningskomponenter som virker i forskjellige retninger. Anordningen kan også innbefatte temperaturmålere som kan brukes for å kompensere for termisk ekspansjon på ribben i de målte spenningene. I en annen utførelse innbefatter anordningen innretninger for å kontrollere maling som respons på belastningen bestemt av sensorene.

En sensorribbe med en design tilsvarende det som er beskrevet i US-patentet ovenfor ble brukt av Gradin et al. (Gradin, P.A., Johansson, O., Berg, J.-E., og Nystrom, S., "Measurement of the power distribution in a singledisc refiner", J. Pulp Paper Sei., 25(11):384-387,1999) for å måle fordelingen av den brukte effekten i malesonen til en enkeltskiveraffinør. Forfatterne fant at effekten brukt per arealenhet var omtrent konstant over radiusen til malesonen. Dette bekreftet et tidligere funn av Atack, D., og May, W.D. ("Mechanical reduction of chips by double-disc refining", Pulp Paper Mag. Can. 64 (Conv.issue): T75-T83, Tl 15, 1963). For å kunne forbedre sensitiviteten til sensorribben ble denne fremstilt av aluminium. Dette materialvalget er ikke adekvat for langtidsdrift i en industriell raffinør siden sensorribben ville slites mye hurtigere enn de andre raffinørribbene laget av herdet materiale.

Internasjonal patentpublikasjon nr WO 00/78458, som bare utgjør kjent teknikk i forhold til artikkel 54 (3) EPC, beskriver en annen fremgangsmåte og anordning for måling av spenningskrefter i raffinører. Målingen blir i dette tilfellet utført over en måleoverflate som utgjør en del av en referanseskive som benytter en måleinnretning innbefattende en enkelt kraftsensor og et legeme som forbinder sensoren med måleoverflaten.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebragt en kraftsensor for måling av kraft som virker på raffinørstangen til en raffinør, og en fremgangsmåte for måling av slike krefter, som definert i vedlagte krav. Det er også tilveiebragt en raffinøranordning inkludert en slik kraftsensor.

Ifølge et bredt aspekt ved en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebragt en kraftsensor for å måle kraft som virker på en raffinørribbe i en raffinør for å produsere eller behandle tremasse, hvilken kraftsensor omfatter: et sensorlegeme som har et sensorhode; og minst to sensorelementer i krafttransmisjonskontakt med, og understøttende, sensorlegemet, hvor sensorelementene produserer et signal som er indikerende for størrelsen på kraften som virker på en raffinørribbe (refiner bar) i en raffinør for å produsere eller behandle tremasse.

I noen utførelser er raffinørribben en raffinørplate eller -skive. Raffinørskiven omfatter en raffinøroverflate som har raffinørribber, og en ikke-raffinøroverflate motstående til raffinøroverflaten. Oppfinnelsen er imidlertid også anvendbar på raffinører hvor raffinørribbene ikke er på en raffinørplate eller skive.

I noen utførelser erstatter sensorhodet en del av raffinørribben. I andre utførelser erstatter sensorhodet alle raffinørribbene. I slik utførelser er sensorlegemet av det samme materialet som raffinørribben, og sensorhodet har en profil som passer med profilen til raffinørribben.

Sensorlegemet kan være festet til raffinør- eller slipeoverflaten til raffinørskiven. I noen utførelser er sensorlegemet tilpasset til å passe inn i en utsparing i raffinøroverflaten til raffinørskiven. I andre utførelser kan sensorlegemet være festet til den ikke slipende overflaten til raffinørskiven. I andre utførelser kan sensorlegemet være tilpasset til å passe inn i en uttagning eller utsparing i den ikke slipende overflaten til raffinørskiven. I en foretrukket utførelse flyter sensorlegemet på sensorelementene. I noen utførelser flyter sensorlegemene på sensorelementene slik at det eneste leddet mellom sensorlegemet og raffinørskiven er via sensorelementene. I nok andre utførelser omfatter kraftsensoren videre en holder, og og sensorlegemet flyter på sensorelementene slik at den eneste forbindelsen mellom sensorlegemet og minst en av raffinørskiven og holderen er via sensorelementene.

I noen utførelser er det minst ene sensorelementet piezoelektrisk eller piezokeramisk.

I samsvar med et annet aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebragt en fremgangsmåte for å måle krefter som virker på en raffinørribbe i en raffinør for å produsere eller behandle tremasse, hvilken fremgangsmåte omfatter: å tilveiebringe et sensorlegeme som har et sensorhode slik at sensorhodet erstatter hele eller en del av raffinørribben; å anordne minst to sensorelementer i krafttransmisjonskontakt med, og understøttende, sensorlegemet; å slipe trepartikler eller tremasse i raffinøren for å produsere tremasse eller malt tremasse, slik at kraften blir påtrykt sensorhodet og et signal som er indikerende for kraften blir utviklet i sensorelementene; og evaluere signalet som et mål på kraften som påtrykkes sensorlegemet.

I samsvar med en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er raffinørribben på en raffinørplate eller skive, og raffinørskiven omfatter en raffinør eller slipeoverflate som har raffinørribber, og en ikke slipende overflate motstående til raffinøroverflaten. I slike utførelser kan sensorlegemet være festet til raffinør eller slipeoverflaten til raffinørskiven, mens i andre utførelser kan sensorlegemet være festet til den ikke slipende overflaten til raffinørskiven.

I noen utførelser flyter sensorlegemet på sensorelementene. I andre utførelser flyter sensorlegemet på sensorelementene slik at den eneste forbindelsen mellom sensorlegemet og raffinørplaten er via sensorelementene.

I nok ytterligere utførelser omfatter fremgangsmåten videre å tilveiebringe en holder for sensorlegemet og sensorelementer, og hvor sensorlegemet flyter på sensorelementene slik at den eneste forbindelsen mellom sensorlegemet og minst en av raffinørskiven og holderen er via sensorelementene.

I noen utførelser er det minst ene sensorelementet piezoelektrisk, eller piezokeramisk. Den målte kraften er fortrinnsvis minst en kraft valgt fra skjærkraft eller spenning og normalkraft eller spenning.

I en ytterligere utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen blir skjærkraft og normalkraft målt, og de målte kreftene blir brukt til å regulere driften til en raffinør ved å manipulere en eller flere variabler valgt fra materialmatehastighet, massekonsistens, raffinørmotorbelasatning, innløpstrykk, utløpstrykk, plategap og rotasjonshastighet, slik at forholdet mellom den målte normal- og skjærkraften opprettholdes konstant eller innenfor en forutbestemt område.

I nok en annen utførelse blir den målte kraften brukt til å detektere kontakt mellom motstående skiver i en raffinør. Kontakt mellom motstående skiver blir korrigert ved å trekke tilbake en aksialt bevegbar plate eller skive i raffinøren.

I utførelsene ovenfor kan det anvendes en enkelt kraftsensor eller en rekke kraftsensorer.

I en annen bestemt utførelse er det tilveiebragt i en raffinøranordning for tremasse som har avfølingsinnretninger for å bestemme paramterer, en forbedring hvor avfølingsinnretningene omfatter kraftsensor som omfatter minst ett piezoelektrisk sensorelement, hvor på hensiktsmessig måte det minst ene piezoelektriske sensorelementet er et piezoelektrisk eller piezokeramisk sensorelement.

I nok en annen spesiell utførelse er det tilveiebragt en raffinøranordning som omfatter minst en raffinørskive, raffinørribber på raffinørskiven og minst et sensorelement i minst en av raffinørribbene, hvor det minst ene sensorelementet er i krafttransmisjonskontakt med, og understøttet av, minst to piezoelektriske sensorelementer; i en spesifikk utførelse er sensorelementet av det samme materialet som raffinørribben som det er montert, og de minst to sensorelementene er piezokeramiske sensorelementer. På egnet måte har sensorelementet sensorlegeme og et sensorhode, og sensorhodet kan ha en profil som passer med profilen til den minst ene raffinørribben, slik at minst en raffinørribbe har en langsgående lengde avbrutt av sensorhodet. I spesifikke utførelser springer raffinørribbene frem fra en første raffinør eller slipeflate til raffinørskiven, og raffinørskiven har en andre, ikke slipende flate motstående til raffinørflaten, og raffinørskiven har et hulrom som strekker seg innover fra den andre flaten, og sensorlegemet er montert i hulrommet.

I nok en annen bestemt eller spesifikk utførelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte for å måle krefter på overflaten til raffinørribber i en raffinør for å produsere eller behandle tremasse, omfattende: å tilveiebringe minst ett sensorelement i minst en raffinørribbe av raffinøren, hvor det minst ene sensorelementet er i krafttransmisjonskontakt med, og understøttet av, minst to piezoelektriske sensorelementer, å slipe eller male trepartikler eller tremasse i raffinøren for å produsere tremasse eller malt tremasse, slik at krefter blir påtrykt sensorelementet og en reaksjonskraft blir utviklet ved de piezoelektriske sensorelementer som utvikler en elektrisk ladning proporsjonal med reaksjonskraften, og evaluering av den elektriske ladningen som mål på kreftene påtrykt det minst ene sensorelementet, og hvor sensorelementene på egnet måte er piezokeramiske sensorelementer, og sensorelementet har et sensorhode, hvor sensorhodet kan ha en profil som passer sammen med profilen til den minst ene raffinørribben har en langsgående lengde avbrutt av sensorhodet.

For øvrig er oppfinnelsen definert ved de i patentkravene angitte trekkene.

Utførelser av oppfinnelsen skal nå beskrives som eksempel, med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et tverrsnitt av en raffinørkraftsensor i samsvar med en utførelse av oppfinnelsen; Fig. 2 viser utførelsen på fig. 1 mer detaljert; Fig. 3A og 3B er adskilte perspektivtegninger av utførelsen vist på fig. 2; Fig. 4,5 og 6 viser tverrsnitt av alternative utførelser av en raffinørkraftsensor i samsvar med oppfinnelsen; Fig. 7 viser et sensorlegeme og et piezoelektrisk element i samsvar med en annen utførelse av oppfinnelsen; Fig. 8 til 15 viser et tverrsnitt av alterantive utførelser av en raffinørkraftsensor i samsvar med oppfinnelsen; Fig. 16 er en adskilt perspektivtegning av utførelsen vist på fig. 15; Fig. 17A, 17B, 18A og 18B er kurver som viser normal og skjærkrefter målt i en raffinør ved bruk av en kraftsensor i samsvar med utførelsen på fig. 2; Fig. 19 er et blokkskjema over et system som brukes til å måle krefter innenfor en enkeltskiveraffinør; og Fig. 20 er et blokkskjema over et system som brukes til å måle krefter innenfor en dobbeltskiveraffinør.

Den foreliggende oppfinnelsen relaterer seg til en kraftsensor for å måle krefter som virker på en raffinørribbe i en raffinør under drift. En raffinørkraftsensor i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan anvendes i en hvilken som helst type mekanisk raffinør som brukes til å påtrykke kraft på tremasse eller treflis. Eksempler på slike raffinører er flisraffinører og lavkonsistensmasseraffinører. Disse kan for eksempel være enkeltskive, dobbeltskive eller koniskskive raffinører. En enkelt kraftsensor, eller en rekke kraftsensorer, kan brukes i forskjellige applikasjoner, som det er beskrevet eksempler på her, for å styre eller kontrollere eller overvåke forskjellige aspekter ved raffinør eller slipe/maleprosessen.

Oppfinnelsen skal beskrives primært med hensyn til enkel og dobbeltskiveraffinører, og den generelle strukturen til slike raffinører er kjent. For eksempel er en typisk raffinør beskrevet i US-patent nr. 5747707, Johansson et al., som består av et par roterbare raffinørskiver som kan roteres i forhold til hverandre, som har radiale raffinørribber som strekker seg langs minst en del av raffinørgapet mellom skivene. Læren til alle de nevnte patentene og publikasjonene er i sin helhet innlemmet her som referanse.

Designen av den foreliggende oppfinnelsen innbefatter flere forbedringer sammenlignet med de tidligere kjente anordninger og fremgangsmåter. For eksempel resulterer bruken av et piezoelektrisk sensorelement (for eksempel et piezokeramisk sensorelement) i en kraftsensor med høy utgangsspenning, mindre sensitivitet overfor elektrisk støy, og større dynamisk område, i forhold til tidligere designer slik som den i Johansson et al., i US-patent nr. 5747707, hvor deformasjonsmålere ble brukt som sensorelementer. Videre er designen foreslått i US-patent nr. 5747707 upraktisk av flere grunner. For eksempel må det være tilstrekkelig deformasjon av raffinørribben tilknyttet sensorelementet for å oppnå et pålitelig signal fra sensorelementet. Samtidig må raffinørribben tilordnet sensorelementet ha svært like mekaniske egenskaper sammenlignet med andel raffinørribber på raffinørskiven. Slik deformasjon oppnås ved bruk av passende materialer og design på raffinørribben. Dersom raffinørribben er for stiv, er de involverte deformasjonene for små til å måles på pålitelig måte når deformasjonsmålere blir brukt som sensorelementer. En analyse utført av noen av oppfinnerne av den foreliggende oppfinnelsen har vist at en sensordesign basert på deformasjonsmålere og bruk av stål som raffinørribbemateriale i sannhet er upraktisk utfra dette standpunktet.

For å overkomme problemer med designen foreslått i US-patent nr. 5747707, kan raffinørribben gjøres mer ettergivende ved å benytte et materiale med en lavere elastisitetsmodul, slik det blir av Gradin et al. (ovenfor), eller ved å modifisere formen eller dimensjonene til noen komponenter i raffinørribben. Deformasjon ved tuppen av raffinørribben må imidlertid forbli liten i forhold til avstanden mellom ribbene på den motstående raffinørskiven, ellers vil ikke de målte kreftene på sensorribben være representative for de virkelige kreftene mellom raffinørribbene. Bruken av forskjellige materialer i raffinørribben innfører også feil siden forskjellig materiale har forskjellige fysiske egenskaper (for eksempel hardhet, slitasjemotstand, termisk utvidelseskoeffisient) i forhold til materialet som brukes i andre raffinørribber på raffinørskivene. Å øke ettergivenheten til raffinørribben kan videre ha en negativ sideeffekt ved å redusere den første resonnansfrekvensen til kraftsensoren. Som beskrevet nedenfor, må denne resonnansfrekvensen være mye høyere enn ribbepassasjefrekvensen i raffinøren ellers vil vibrasjoner av raffinørribben påvirke de målte kreftene. Oppfinnerne har også vist at det i praksis er umulig å inkorporere alle disse kravene i en design basert på deformasjonsmålere som avfølingselementer.

I samsvar med et bredt aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebragt en kraftsensor for å måle krefter på en raffinørribbe i en raffinør, slik som en raffinør som brukes for å produsere og/eller behandle tremasse. En kraftsensor i samsvar med oppfinnelsen omfatter et sensorlegeme som har et sensorhode, og ett eller flere sensorelementer i krafttransmisjonskontakt med sensorlegemet. Som beskrevet detaljert nedenfor, er sensorlegemet eller ett eller flere sensorelementer festet til en raffinørskive, slik at sensorhodet erstatter hele eller en del av en raffinørribbe på raffinøroverflaten til en raffinørplate eller -skive.

Slik det benyttes her er uttrykket "krafttransmisjonskontakt" ment å bety kontakt mellom sensorlegemet og sensorelementer som besørger transmisjon av en hvilken som helst kraft mottatt av sensorlegemet til sensorelementene. Krafttransmisjonskontakten tilveiebringer fortrinnsvis transmisjon av krefter til sensorelementene uten noen dempning eller forstyrrelse av egenskapene til kreftene (for eksempel amplitude, frekvens og fase). I de fleste tilfellene er imidlertid noe demping eller forstyrrelse uunngåelig.

Slik det benyttes her er uttrykket "sensorelement" ment å omfatte en hvilke som helst transduser som kan frembringe et signal (for eksempel en elektrisk ladning eller et elektrisk signal slik som en spenning eller en strøm) som respons på belastning (for eksempel kompresjon). Et eksempel på et sensorelement er et piezoelektrisk element, slik som et piezokeramisk element. Mens oppfinnelsen beskrevet nedenfor primært med hensyn på piezoelektrisk elementer, må det forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til dette. Egnede piezoelektriske elementer er tilgjengelige fra BM Hi-Tech/sensor Technology Ltd., Collingwood, Ontario. Det foretrekkes piezoelektriske elementer valgt med relativt høy Curie-temperatur (360°C), laget av blyzirconat titanat (keramisk, for eksempel BM500), og med dimensjoner på omtrent 1 mm x 1 mm x 7 mm. Polingsretningen er normal på den langsgående aksen og en av de korte aksene. Elektrodene befinner seg på motstående overflater normalt på polingsretningen. Generelt er en tynn ledning festet (for eksempel loddet) til hver av de to elektrodene til de piezoelektriske elementene, og disse ledningene er forbundet med en ladningsforsterker, som beskrevet nedenfor. En alternativ leverandør av piezoelektriske elementer er Piezo Kinetics Incorporated, Bellefonte, PA. Piezoelektriske elementer laget av PKI#502 som har en Curie-temperatur på 350°C er egnet. Bruk av minst to sensorelementer vil gjøre det mulig å avlede både skjær og normalkrefter. Under visse omstendigheter kan imidlertid begge kreftene avledes med bare ett enkelt sensorelement.

Sensorelementene er installert i raffinørkraftsensoren slik at krefter som skal måles blir påtrykt over to motstående overflater av elementene. I tilfeller der elektrodene til de piezoelektriske elementene også er på de samme motstående overflatene, bør et isolerende lag eller sjikt (dvs. et dielektrisk materiale slik som mica, cellofantape, Mylar (varemerke for en polyesterfilm), papir) være anordnet mellom de motstående overflatene og sensorkomponentene som kontakter de motstående overflatene. Alternativt kan sensorlegemet og holderen og/eller raffinørskiveoverflaten være belagt med et tynt isolerende sjikt slik som pådampet alumina. Piezoelektriske elementer er fortrinnsvis installert i kraftsensoren slik at krefter blir påtrykt normalt på polingsretningen til sensorelementene. Polingsretningen til piezoelektriske elementer i utførelsene beskrevet her, er normalt på de to motstående, overflatene som kontakter kraftsensorkomponentene. Bruk av alternativ orientering på polingsretningen og elektroder med hensyn til overflater som kontakter sensorlegemet og holderen og/eller raffinørskiver, kan imidlertid vurderes brukt.

Krefter som utøves på raffinørribbene til raffinørskiven opptas av sensorlegemet via sensorhodet og blir sendt til sensorelementet eller elementene. Som nevnt ovenfor, er sensorlegemet festet til en raffinørskive slik at sensorhodet erstatter hele eller en del av en raffinørribbe. Følgelig har sensorhodet en form eller profil som korresponderer i hovedsaken med profilen til en raffinørribbe. Videre er sensorhodet og/eller legemet laget av det samme eller tilsvarende materialet som i raffinørribben for å sikre konsistens av mekaniske egenskaper (for eksempel hardhet, slitasjemotstand, termisk utvidelseskoeffisient, etc) over raffinørribbene og sensorhodet.

Sensorenheten omfatter sensorlegemet og to eller flere sensorelementer. I slike utførelser er sensorenheten fastklemt til en raffinørplate ved hjelp av et hvilket som helst egnet festemiddel slik som skruer. Spesielt er sensorelementene fastklemt mellom sensorlegemet og raffinørplaten. Slik fastklemming kan oppnås, for eksempel ved en skrue som trenger direkte gjennom sensorlegemet.

I andre utførelser omfatter sensorenheten sensorlegemet, to eller flere sensorelementer og en holder. Sensorenheten er festet til en raffinørskive via holderen ved bruk av en hvilken som helst egnet festeinnretning. Fastklemming av sensorlegemet i krafttransmisjonskontakt med sensorelementene oppnås for eksempel ved å skru sensorlegemet til holderen slik at sensorelementene blir fastklemt mellom sensorlegemet og holderen. Det foretrekkes imidlertid at sensorlegemet er fastklemt til holderen uten direkte å skru sensorlegemet til holderen. For eksempel kan holderen omfatte to eller flere partier mellom hvilke sensorlegemet og sensorelementene er fastklemt, idet holderpartiene er fastklemt via festeinnretninger slik som skruer. I slike utførelser er den eneste fysiske/mekaniske forbindelsen mellom sensorlegemet og raffinørskiven og/eller holderen via sensorelementene, slik at sensorlegemet "flyter" på sensorelementene (se for eksempel utførelsene vist på fig. 2,4,11,14,15 og 16 nedenfor).

Fastklemming av sensorelementene mellom sensorlegemet og raffinørplaten eller skiven og/eller holderen trykker sensorelementene sammen, og på fordelaktig måte tilveiebringer en forbelastning av sensorelementene. Forbelastningen hjelper til å sikre et stabilt signal (for eksempel reduseres støy) fra sensorelementene under drift av kraftsensoren. Videre gir fastklemming sensorenheten strukturell integritet og sikrer at en endring (for eksempel en økning eller minskning) av belastningen ikke resulterer i tap av kontakt mellom sensorlegemet og sensorelementet eller -elementene.

For optimal drift i en raffinør gjør kraftsensorenheten (dvs. enheten omfattende sensorlegemer, sensorelementer, holder, dersom den er til stede, og maskinelementer slik som skruer) ha en vibrasjonsoppførsel (frekvensrespons) slik at den har en første resonnansfrekvens som er mye høyere enn ribbepassasjefrekvensen til ribbene i raffinøren (dvs. frekvensen hvorved ribbene på en raffinørskive passeres av ribbene på den andre skiven). Slik det brukes her er uttrykket "optimal drift" ment å bety drift som produserer kraftdata som kan brukes til å avlede kreftene produsert på en raffinørribbe under hver ribbepassasje. I avhengighet av faktorer slik som designen til raffinøren, designen til raffinørskivene og posisjonen til skivene, varierer ribbepassasjefrekvensen i en typisk kommersiell raffinør mellom omtrent 20 kHz og omtrent 50 kHz. Mens den første resonnansfrekvensen til kraftsensorenheten teoretisk bør være så høy som mulig i forhold til ribbepassasjefrekvensen, kan fysiske begrensninger redusere hvor høy den første resonnansfrekvensen kan være. En første resonnansfrekvens som er omtrent ti ganger ribbepassasjefrekvensen forventes å være den øvre grensen for de fleste kraftsensordesigner, og slik første resonnansfrekvens forventes å fungere fullstendig tilfredsstillende. På den annen side vil en første resonnansfrekvens som er omtrent 1.5 ganger ribbepassasjefrekvensen produsere nyttbare data, men den vil også produsere noe støy på grunn av vibrasjon i sensorlegemet. Generelt er det fire designprinsipper som kan følges for å øke den første resonnansfrekvensen: 1. Reduksjon av massen til sensorlegemet; 2. Reduksjon av avstanden fra sensorelementene til massesenteret til sensorlegemet; 3. Valg av et materiale som sensorlegemet fremstilles av, som har et høyere forhold mellom elastisitetsmodul (stivhet) og tetthett (for eksempel har karbonfiber/epoxykompositt et mye høyere forhold mellom elastisitetsmodul og tetthet enn stål); 4. Reduksjon av ettergivenheten til sensorelementene (for eksempel piezoelektrisk) ved å redusere deres tykkelse til det minimalt tillate ved produksjon og montasj ebegrensninger.

Teoretiske prosedyrer slik som begrenset elementanalyse kan anvendes for å bestemme resonnansrfekvensen til kraftsensorenheter. De teoretiske verdiene kan måles og bekreftes eksperimentelt.

Forskjellige utførelser av en kraftsensor i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet nedenfor. På fig. 1 til 16 refererer felles henvisningstall seg til de samme eller tilsvarende komponenter i de beskrevne utførelsene.

Med henvisning til utførelsene på fig. 1 og 2 er det i tverrsnitt vist en raffinørskive 10 omfattende en kraftsensorenhet 14. Raffinørplaten 10 har en raffinør- eller slipeflate 16, en ikke-slipende flate 18 motstående til flaten 16 og et hulrom eller utsparing 20 som strekker seg innover fra flaten 18. Raffinørflaten 16 har et mangfold raffinørribber 22.

Sensorenheten 14 omfatter et sensorlegeme 30 og fire piezoelektriske sensorelementer 26 anordnet i en sensorholder 28. Sensorenheten 14 er anordnet i utsparingen eller hulrommet 20.

Sensorlegemet 30 har et sensorhode 32; sensorhodet 32 har en profil som passer med profilen til delen av raffinørribben hvori den er innført. Dvs. at topp- og sideflatene til sensorhodet 32 i hovedsaken flukter med den tilstøtende toppen og sideflatene til raffinørribben hvori den er innført. Sensorhodet 32 erstatter således en kort lengde (for eksempel 5 mm) av raffinørribben hvori den er innført og er fortrinnsvis laget av det samme materialet, slik at det har de samme mekaniske egenskapene.

Et klebefyllelement 52 (for eksempel et silikonklebemiddel) opptar gapet mellom sernsorlegemet 30, raffinørplaten 10 og sensorholderen 28 for å forhindre forurensning av sensorelementene 26 av vann, damp og/eller masse.

De piezoelektriske sensorelementene 26 er anordnet mellom sensorlegemet 30 og sensorholderen 28. For å forenkle montasjen kan de piezoelektriske sensorene være festet til sensorlegemet ved bruk av et klebemiddel slik som for eksempel epoxy, men festing av sensorene til sensorlegemet er imidlertid ellers unødvendig siden fastklemming av sensorenheten holder sensorelementene på plass. Fire piezoelektriske elementer 26 er brukt i utførelsen vist på fig. 1, men designer som innbefatter et hvilket som helst antall sensorelementer 26 må forstås å være en del av den foreliggende oppfinnelsen.

Som vist mer detaljert på fig. 2, er sensorholderen 28 laget av to deler 28a,28b holdt sammen av festeinnretninger 65. Ved å stramme festeinnretningen påføres en forbelastning på de piezoelektriske sensorelementene 26 for å sikre at under drift er de piezoelektriske elementene 26 alltid sammentrykt. I tillegg sikrer dette at sensorelementene 26 er i krafttransmisjonskontakt i holderen 28. Sensorholderen 28 er festet inne i rommet 20 i den ikke-slipende overflaten 18 til raffinørskiven 10 ved hjelp av skruer 60.

Ved å bruke begrenset elementanalyse ved den første naturlige frekvensen til utførelsen vist på fig. 2 funnet å være 30 kHz.

Fig. 3 A og 3B er adskilte perspektivtegninger av en kraftsensorenhet slik som utførelsen vist på fig. 2. Som vist, er tynne sjikt av isolerende materiale 72 slik som for eksempel mica anordnet mellom hver av de to motstående overflatene av piezoelektriske elementer 26, og overflatene til holderen 28a, 28b som de er i kontakt med. Dersom det er nødvendig, kan de isolerende sjiktene eller lagene være festet til de piezoelektriske elementene 26 og/eller overflatene til sensorlegemet 30 og/eller holderen 28a, 28b ved bruk av et egnet klebemiddel. De isolerende sjiktene 72 forhindrer elektrisk kontakt mellom elektroder på overflaten til de piezoelektriske elementene 26 og sensorlegemet 30 og holderen 28. Sensorlegemet 30 og de piezoelektriske elementene 26 er klemt mellom de to delene 28a, 28b til holderen 28 med skruer 65. Ledninger (ikke vist) fra hvert av de piezoelektriske elementene 26 passerer gjennom en åpning 76 i holderen 28a.

Kraftsensorenheten er sikret i en uttagning 20 i den ikke-slipende overflaten 18 til raffinørskiven 10 ved bruk av skruer 60. Uttagningen eller hulrommet 20 i raffinørskiven 10, kan dersom den er fremstilt etter varmebehandling av raffinørplaten, være fremstilt ved bruk av en hvilken som helst egnet prosess, slik som elektroutladningsmaskinering (EDM). Ikke-varmebehandlet innsatser 78 kan være presset inn i hull laget ved hjelp av EDM og disse innsatsene kan så tappes for å motta skruene 60.

Som vist på fig. 3B, mottar en åpning 80 i en raffinørribbe 22a sensorhodet 32 slik at sensorhodet 32 erstatter en del av raffinørribben 22a, og de eksponerte flatene til sensorhodet 32 flukter med de tilstøtende flatene til raffinørribben 22a.

De følgende alternative utførelsene av raffinørkraftsensoren trekker fordel av det første og det andre designprinsippet ovenfor hvilket resulterer i høyere første resonnansfrekvens enn utførelsen på fig. 2. Videre kan det oppnås økning av den første resonnansrfekvensen til en hvilke som helst av disse utførelsene ved å benytte tredje og fjerde designprinsippet beskrevet ovenfor.

I utførelsen vist på fig. 4 er sensorlegemet 30 T-formet som i utførelsene på fig. 1 til 3B. Til forskjell fra disse utførelsene omgir imidlertid ikke lenger sensorholderen 28 en del av sensorlegemet 30 og har isteden blitt redusert til en enkelt plate eller skive. Som beskrevet ovenfor, er det nødvendig med bare to piezoelektriske elementer for å avlede skjær og normalkraften som påtrykker sensorhodet 32.1 denne og de forutgående utførelsene kan således to av de fire sensorelementene etter valg erstattes med ikke-aktive elementer (dvs. elementer av det samme eller forskjellig materiale som sensorelementene, som har en effektiv ettergivenhet som er omtrent den samme som for sensorelementene). I den foreliggende utførelsen er for eksempel de to elementene 46 slike ikke-aktive elementer. En forbelastning påtrykkes de piezoelektriske elementene 26 ved hjelp av skruer 64 som også sikrer sensorholderen 28 i uttagningen 20 i raffinørskiven 10. De ikke-aktive elementene 46 har tilstrekkelig ettergivenhet til at når sensorhodet 32 blir utsatt for normale skjærkrefter vil disse kreftene bæres hovedsakelig av de piezoelektriske elementene 26. Forenklingen av sensorholderen 28 tillater redusert lengde og masse av sensorlegemet 30 og således avstanden fra piezoelementene 26 til massesenteret til sensorlegemet 30. Disse modifikasjonene bidrar alle til en reduksjon av den første resonnansrfekvensen til kraftsensorenheten.

Utførelsen vist på fig. 5 er tilsvarende den som er vist på fig. 4 unntatt for at de ikke-aktive komponentene 46 er eliminert, og sensorlegemet 30 er innfanget av en skrue 62, ved hjelp av hvilken en forbelastning blir påtrykt piezosensorelementene 26. Skruen befinner seg på den langsgående aksen til sensorlegemet 30 (dvs. innrettet med den lange aksen til raffinørribbene 22). Skruer 60 fester kraftsensorenheten i uttagningen 20 i raffinørskiven 10, men påtrykker ikke noen forbelastning på sensorelementene 26. Noe av skjær- og normalkreftene som blir opptatt av sensorhodet 32 vil bli overført til sensorholderen 28 via skruen 62 snarere enn via de piezoelektriske elementene 26. Det er derfor vesentlig at skruen 62 er vesentlig mer etterføyende (dvs. mindre stiv) enn piezoelementene 26 slik at tilstrekkelig belastning blir overført gjennom de piezoelektriske elementene 26 for å sikre at målbare signaler blir generert.

Utførelsen vist på fig. 6 er tilsvarende den som er vist på fig. 5 unntatt for at skulderen 34 til sensorlegemet 20 flukter med overflaten til raffinørskiven ved basisen 24 av sporene mellom raffinørribbene 22. Dette reduserer ytterligere lengden og massen til sensorlegemet 30 som i sin tur reduserer avstanden fra piezoelementene 26 til massesenteret til sensorlegemet 30, hvilket resulterer i en høyere første resonnansrfekvens. Denne utførelsen har imidlertid den ulempen at feil i skruen 62 vil forårsake at sensorlegemet 30 faller inn i raffinørsonen mellom raffinørskivene, med vesentlig ødeleggelse av raffinøren. I de tidligere utførelsene er sensorlegemet 30 innfanget i raffinørskiven 10 for å forhindre bevegelse av sensorlegemet 30 inn i raffinørsonen i tilfelle feil.

Med henvisning til fig. 6 kan denne utførelsen modifiseres ved å eliminere holderen 28 og uttagningen 20 i den ike-slipende overflaten 18 til raffinørskiven 10. Isteden er en liten uttagning tilveiebragt i raffinøroverflaten 16 for å akseptere sensorlegemet 30 og piezoelementer 26. En åpning gjennom raffinørskiven 10 er tilveiebragt for å oppta en skrue 62 for å sikre raffinørlegemet 30 i uttagningen i raffinøroverflaten 16.1 en slik modifisert utførelse holdes sensorlegemet 30 i posisjon i raffinøroverflaten 16 av raffinørskiven 10 uten behovet for en holder 28. En slik utførelse har imidlertid den samme ulempen som nevnt ovenfor med hensyn til utførelsen i fig. 6.

Fig. 7 viser en utførelse av sensorlegemet 30 med piezoelementet 26 som er egnet for bruk i en kraftsensor tilsvarende den som er vist i en hvilken som helst av de

forutgående utførelsene. Slik det kan ses på fig. 7 har sensorlegemet 30 blitt modifisert for å oppta sensorelementene 26 i en vinkel i forhold til overflaten til raffinørskiven 10. Korresponderende modifikasjon av holderen 28 og/eller raffinørskiven 10 i de tidligere utførelsene vil derfor være nødvendig for å oppta det foreliggende sensorlegemet.

Som angitt ovenfor, er piezoelektriske elementer mer sensitive for belastning som opptrer normalt på deres polingsretning. Siden polingsretningen til de piezoelektriske elementene 27 er normal på de to motstående overflatene som kontakter sensorkomponentene, tilveiebringer den vinklede orienteringen av de piezoelektriske elementene 27 i denne utførelsen utmerket oppløsning av en skjærkraft påtrykt sensorhodet 32.

I utførelsen vist på fig. 8 Har massen til sensorlegemet 30 blitt redusert i forhold til de forutgående utførelsene. Sensorlegemet 30 er montert på to piezoelektriske elementer 26 som er anordnet i en vinkel i forhold til overflaten til raffinørskiven 10. Som i den tidligere utførelsen, sikrer denne orientering av de piezoelektriske elementene 26 utmerket oppløsning av en skjærkraft påtrykt sensorhodet 32. Sensorlegemet 30 er innfanget og forbelastning påtrykkes piezoelementene 26 med en skrue 62 anordnet sentralt i sensorlegemet 30 og holderen 28. Sensorlegemet 30 innbefatter også tapper 40 som strekker seg under raffinøroverflaten til raffinørskiven 10. Tappene 40 forhindrer sensorlegemet 30 i å falle inn i raffinør- eller slipesonen i tilfelle feil i skruen 62.

I utførelsen vist på fig. 9 har massen til sensorlegemet 30 blitt ytterligere redusert i forhold til den forutgående utførelsen, ved at det er tilveiebragt en holder 28 som erstatter en del av en raffinørribbe. Sensorlegemet 30 er montert på to piezoelektriske elementer 26 som, til forskjell fra tidligere utførelser, befinner seg over basisen til sporene mellom raffinørribber 22 i raffinørskiven 10. Sensorlegemet 30 er innfanget og forbelastning blir påtrykt de piezoelektriske elementene 26 av en skrue 62 som befinner seg sentralt i sensorlegemet 30. Sensorlegemet 30 innbefatter også tapper 40 som strekker seg under den øvre overflaten til raffinørskiven 10. Tappene 40 forhindrer sensorlegemet 30 i å falle inn i raffinørsonen i tilfelle feil i skruen 62.

I utførelsen vist på fig. 10 er sensorlegemet 30 opplagret lateralt på fire piezoelektriske elementer 26 og opplagret vertikalt på et piezoelektrisk element 29. Holderen 28 omfatter en vertikal forlengelse 54 og en holdeplate 56. Sensorlegemet 30 og piezoelektriske elementer 26 er klemt mellom den vertikale forlengelsen 54 og holdeplaten 56 med en eller flere skruer 65, som også påtrykker en forbelastning på sensorelementene.

Utførelsen på fig. 11 er tilsvarende den som er vist på fig. 10 unntatt for at sensorlegemet 30 blir opplagret lateralt på to snarere enn fire piezoelektriske elementer 26.

Utførelsen på fig. 12 er tilsvarende den som er vist på fig. 10 unntatt for at de fire

piezoelektriske elementene 26 er anordnet i en vinkel i forhold til den sentrale aksen til sensorlegemet 30, og det piezoelektriske elementet 29 ved basisen av sensorlegemet 30 er eliminert. Den vertikale forlengelsen 54 av sensorholderen 28 og holdeplaten 56 har motstående kilelignende profiler. Skruer 65 klemmer sensorlegemet 30 mellom den vertikale forlengelsen 54 og holdeplaten 56 og påtrykker forbelastning på sensorelementene 26. Når klemmeskruene 65 blir strammet, vil også kileprofilene sikre at sensorlegemet 30 og piezoelementene 26 blir riktig lokalisert i både den vertikale og horisontale retningen.

Utførelsen på fig. 13 er tilsvarende den som er vist på fig. 12, unntatt for at to av de piezoelektriske elementene 26 har blitt eliminert og det sentrale spennet til sensorlegemet 30 har blitt redusert til en tynn bane. Sensorholderen omfatter også to partier 28a, 28b. Ved klemming av sensorlegemet 30 og piezoelektriske elementer 26 mellom holdepartiene 28a, 28b, overfører denne banen forbelastning til det øvre partiet av sensorlegemet 30 og således til sensorelementene 26, samtidig som den er tilstrekkelig fleksibel til at krefter som påtrykker sensorhodet 32 blir overført til de piezoelektriske elementene 26.

I utførelsen på fig. 14, som bare viser en raffinørkraftsensorenhet, er sensorlegemet 30 trekantet ved dets basis. Sensorlegemet 30 blir opplagret på tre piezoelektriske elementer 26. Sensorlegemet 30 og piezoelektriske elementer 26 er innfanget i en trekantformet uttagning i holderen 28, som er til stede mellom den vertikale forlengelsen 54 til holderen 28 og holdeplaten 56. Forbelastning påtrykkes sensorelementene 26 lateralt av en eller flere skruer 65.

I utførelsen vist på fig. 15 har sensorlegemet 30 et trekantformet basisparti tilsvarende det som er vist på fig. 14. Sensorholderen 28 har en korresponderende spaltet uttagning for å oppta sensorlegemet 28 og tre piezoelementer 26. Til forskjell fra utførelsen på fig. 14, omfatter ikke sensorholderen 30 i denne utførelsen en vertikal forlengelse 54 eller holdeplate 56. Isteden blir en settskrue 70 og plate 58 brukt til å klemme sensorlegemet 30 inn i sensorholderen 28, og påtrykke forbelastning på sensorelementer 26. Det vil si at stramming av settskruen 70 tvinger platene 58 mot sensorelementene 26 og sensorlegemet 30. Platen 58 er tappet for å forhindre den fra å rotere når settskruen 70 blir rotert. Holderen 28 er festet i uttagningen 20 i raffinørplaten 10 med skruer 64.

I utførelsen vist på fig. 14 og 15 kan det piezoelektriske elementet 26 nedenfor basisen av sensorlegemet 30 være erstattet med et ikke-aktivt element som beskrevet ovenfor. Den ikke-aktive komponenten må ha tilstrekkelig ettergivenhet til at når sensorhodet 32 blir utsatt for normale skjærkrefter, blir disse kreftene hovedsakelig båret av de gjenværende to piezoelektriske elementene 26.

Som nevnt ovenfor, er i noen utførelser (for eksempel de som er vist på fig. 2,4,11,14,15 og 16), den eneste fysiske/mekaniske koplingen mellom sensorlegemet og

raffiniørskiven og/eller holderen via sensorelementene, slik at sensorlegemet "flyter" på sensorelementene. Det er å merke seg at i utførelsene på fig. 10 og 12 kan slik flyting av sensorlegemet 30 oppnås dersom skruen eller skruene 65 ikke kontakter sensorlegemet 30. Dvs., for å oppnå flyting av sensorlegemet 30, må åpningen i sensorlegemet 30 ha tilstrekkelig diameter til at skruen 65 ikke kontakter sensorlegemet 30.

Virkemåten til sensordriften skal nå beskrives.

Det refereres da til utførelsen på fig. 1 til 16, og når normal og skjærkrefter påtrykkes sensorhodet 32, utvikles reaksjonskrefter ved hver av piezosensorelementenes lokaliseringer. En elektrisk ladning, proporsjonal med størrelsen på reaksjonskraften, utvikles av hvert piezosensorelement 26. Den påtrykte normal og skjærkraften kan bestemmes ved å måle og behandle de elektriske signalene fra hvert av piezosensorelementene 26 ved bruk av passende signalbehandlingsutstyr og dataanalyse.

Eksempel.

En kraftsensor i samsvar med utførelsen på fig. 2 ble installert i en laboratorieraffinør. Raffinøren hadde en diameter på 30 cm og ble drevet ved atmosfæretrykk. Raffinøren ble matet med kjemi-termomekanisk masse med en konsistens på omtrent 20%. Fig. 17A og B viser normal- og skjærkrefter beregnet ved bruk av signalene fra to piezokeramiske elementsensorer 26. På fig. 17A ble reffinøren drevet med 1260 omdreininger pr. min., korresponderende med en periode på omtrent 270 mikrosekunder mellom ribbepassasjer (en ribbepassasjefrekvens på omtrent 3,70 kHz). På fig. 17B ble raffinøren drevet i en høyere hastighet på 2594 omdreininger pr. min., som korresponderer med en ribbepassasjeperiode på 131 mikrosekunder (en ribbepassasjefrekvens på omtrent 7,63 kHz). Av disse resultatene kan det ses at normal-og skjærkreftene relatert til individuelle ribbekryssinger kan måles med en kraftsensor i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

De piezoelektriske elementene som ble brukt i den initielle testingen ovenfor ble funnet å ha dårlig dimensjonskontroll. Som et resultat, ble piezoelektriske elementer som har utmerket dimensjonskontroll (Piezo Kinetics Incorporated, Bellafonte, PA, PKI#502, Curie temperatur 350°C) innlemmet i kraftsensoren på fig. 2. Dette forbedrer toleranser under montasje og tilveiebragt en mer jevn fordeling av belastning til sensorelementene. I tillegg blir ladningsforsterkerne som blir brukt under den initielle testingen ovenfor, som var utviklet internt, erstattet med industriell kvalitetladningsforsterke (Kistler Type 5010). Disse to faktorene forbedret kvaliteten til signaler tilbveiebragt fra sensoren, som indikert på fig. 18A og B.

På fig. 18A ble raffinøren drevet med 700 omdreninger pr. min., som korresponderer med en ribbepassasjefrekvens på omtrent 2.06 kHz. På fig. 18B ble raffinøren drevet med en høyere hastighet på 2600 omdreininger pr. min., som korresponderer med en ribbepassasjefrekvens på omtrent 7,64 kHz. Av disse resultatene kan det ses at optimalisering av kraftsensoren tilveiebringer utmerket oppløsning av normal og skjærkrefter relatert til individuelle ribbekryssinger.

Med henvisning til fig. 19 omfatter et raffinørsystem 200 en enkel skiveraffinør 202, ladningsforsterkere 204, en datasøkeenhet 206 og en datamaskin eller kontrollinnretning 208.

Enkeltskiveraffinøren 202 har en roterende skive 210 som omfatter raffinørplater eller skiver og en stasjonær skive 212 som omfatter raffinørplater og kraftsensorer 214 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, slik som utførelsene vist på fig. 1 til 15. Hver kraftsensor 214 omfatter ett eller flere piezoelektriske sensorelementer som illustrert i utførelsene ovenfor.

Raffinøren 202 har en aksel 216 for å rotere skiven 210 og et mateinnløp 218 for treflis eller tremasse. Fig. 19 viser således de forskjellige komponentene til et system som anvendes for å måle krefter inne i en raffinør. Raffinøren illustrert på fig. 19 er en enkeltroterende skiveraffinør, vanligvis referert til som en enkeltskiveraffinør. Fire kraftsensorer er illustrert på fig. 19, men et hvilket som helst antall kan anvendes i avhengighet av applikasjonen. Hvert piezoelektrisk element til hver kraftsensor er tilkoplet en ladningsforsterker. Ladningsforsterkerne er tilkoplet datasøkeenheten. I den viste utførelsen kan den sistnevnte være et digitalt oscilloskop, analog til digitalkonverter, eller en hvilken som helst annen innretning for å sample og digitalisere signalene fra landingsforsterkerne. Analoge teknikker kan imidlertid også anvendes for å behandle kraftsensorsignalet eller signalene. Datasøkeenheten er tilkoplet datamaskinen via et digitalt grensesnitt, slik at de målte dataene kan overføres for behandling for å bestemme størrelsen på kreftene på raffinørribber til den stasjonære skiven eller platen. Fig. 20 viser et raffinørsystem 300 som omfatter en raffinør 302 som har et par roterende skiver 310 og 312, ladningsforsterke 304, en datasøkeenhet 306 og en datamaskin eller kontrollinnretning 308.

Raffinørskiven 312 omfatter raffinørplaterog et mangfold sensorer 314 slik som illustrert i utførelsene ovenfor. Raffinøren 302 omfatter en aksel 316 for å rotere skiver 310 og 312, og et mateinnløp 318 for treflis eller tremasse.

En sleperingenhet 319 tilveiebringer forbindelse mellom sensorene 314 og ladningsforsterkerne 304.

Fig. 20 illustrerer således et arrangement for tilfelle hvor kreftene på raffinørribber blir målt på en roterende skive, slik som ville være tilfellet i en raffinør hvor begge skivene roterer (for eksempel en dobbelskiveraffinør). I dette tilfellet blir ledninger fra kraftsensorene brakt gjennom akselen til raffinøren til en sleperingenhet. Denne enheten muliggjør overføringen av elektriske signaler fra en roterende del til en ikkeroterende del, eller omvendt. Resten av målesystemet er tilsvarende det som er beskrevet på fig. 19.1 en variasjon av systemet illustrert på fig. 20 er ladningsforsterkere montert på den roterende akselen til raffinøren og de forsterkede signalene blir matet til datasøkeenheten via sleperingenheten. I det sistnevnte tilfellet kan sleperingenheten også elimineres ved å overføre de forsterkede signalene ved bruk av et ikke-kontakt sender/mottakersystem.

Et antall applikasjoner av den foreliggende oppfinnelsen er identifisert og er kort beskrevet i det ettrfølgende. En hvilken som helst av disse applikasjonene kan kreve en enkelt ktaftsensor eller en rekke kraftsensorer i et antall av lokaliseringer innenfor raffinør eller slipesonen til en raffinør. Unntatt der annet er spesifisert refererer disse applikasjonene seg til både sliping av treflis eller trefragmenter for produksjon av masse ved bruk av mekaniske innretninger eller bruken av en raffinør for å modifisere noen egenskaper av trefiber eller masse.

a) En enkelt kraftsensor eller en rekke kraftsensorer kan benyttes til å måle størrelsen på normalkraften som virker perpendikulært på planet til raffinørribbeoverflatene, og

skjærkraften som virker i planet til raffinørribbeoverflatene. Den relative størrelsen til normal og skjærkraften påvirker virkningen av raffinøren på materialet som blir behandlet og kan justeres ved å endre matehastigheten til materialet til raffinøren, faststoffinneholdet i det innmatede materialet, plategapet i raffinøren, eller rotasjonshastigheten til raffinøren. Ved å manipulere raffinørdritfsforholdene for å opprettholde konstant forhold mellom skjær og normalkreftene som respons på endringer forårsaket av prosessforhold, kan en mer jevn raffinørvirkning opprettholdes.

b) En enkelt kraftsensor, eller en rekke kraftsensorer, kan brukes til å detektere kontakt mellom to motstående raffinørplate (platesammenstøt). Spesifikke trekk ved

kraftsignalene kan overvåkes for å detektere slik kontakt, og korrigerende handling kan

foretas for å bevare integriteten til raffinørplatene og unngå for tidlig slitasje, slik som for eksempel å trekke tilbake den aksialt bevegbare platen til raffinøren.

c) Størrelsen til de målte kreftene i en raffinør avhenger blant annet av mengden materiale som er til stede mellom raffinørribbene og avstanden mellom flatene til de

kryssende platene (plategap). Når massestrømningshastigheten til materialet matet til en raffinør endrer seg, for eksempel på grunn av prosessforhold eller ujevn kvalitet på matematerialet, kan mengden materiale til stede mellom raffinørribbene også endre seg. En enkelt kraftsensor, eller en rekke kraftsensorer i forbindelse med egnede innretninger for å måle plategap i raffinøren kan benyttes for å detektere slike endringer og foreta korrigerende handling.

d) I raffinører som har multiple koaksiale raffinørsoner, slik som for eksempel tvillingraffinører, koniske skiveraffinører, multiskiveraffinører, Duoflo raffinører og

lignende, kan det benyttes et arrangement av sensorer til å måle den relative størrelsen til krefter mellom forskjellige raffinørsoner. Sensorene kan brukes som del av et kontrollsystem for å regulere strømningen av materialet eller plategapet i hver raffinørsone for å opprettholde forutbestemte optimale driftsforhold.

Fagkyndige på området vil gjenkjenne varianter av utførelsene som er beskrevet her. Slike varianter ligger innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelsen og er dekket av de medfølgende patentkravene.

Claims (41)

1. Kraftsensor (14) for å måle kraft som virker på en raffinørribbe (22) i en raffinør for å produsere eller behandle tremasse, hvilken kraftsensor (14) omfatter: et sensorlegeme (30) som har et sensorhode (32); og minst to sensorelementer (26) i krafttransmisjonskontakt med, og som understøtter, sensorlegemet (30), karakterisert ved at de minst to sensorelementer (26) produserer et signal som er indikerende for størrelsen på kraft som virker på en raffinørribbe (22) i en raffinør for å produsere eller behandle tremasse.

2. Kraftsensor (14) ifølge krav 1, karakterisert ved at raffinørribben (22) er på en raffinørplate eller -skive (10).

3. Kraftsensor (14) ifølge krav 2, karakterisert ved at raffinørplaten (10) omfatter en raffinøroverflate (16) som har raffinørribber (22), og en ikke-raffinør eller ikke-slipende overflate (18) motstående til raffinøroverflaten (16).

4. Kraftsensor (14) ifølge krav 1,2 eller 3, karakterisert v e d at sensorhodet (32) er tilpasset til å erstatte en del eller et parti av raffinørribben (22).

5. Kraftsensor (14) ifølge krav 1,2 eller 3, karakterisert ved at sensorhodet er tilpasset til å erstatte hele raffinørribben (22).

6. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at sensorlegemet (30) er av det samme materialet som raffinørribben (22).

7. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at sensorhodet (32) har en profil som passer med profilen til raffinørribben (22).

8. Kraftsensor (14) ifølge krav 3, karakterisert ved at sensorlegemet er festet til raffinør- eller slipeoverflaten (16) til raffinørplaten eller - skiven (10).

9. Kraftsensor (14) ifølge krav 3, karakterisert ved at sensorlegemet (30) er tilpasset til å passe inn i en uttagning i raffinøroverflaten (16) til raffinørplaten (10).

10. Kraftsensor (14) ifølge krav 3, karakterisert ved at sensorlegemet (30) er festet til den ikke-slipende overflaten (18) til raffinørplaten (10).

11. Kraftsensor (14) ifølge krav 3, karakterisert ved at sensorlegemet (30) er tilpasset til å passe inn i en uttagning (20) i den ikke-slipende overflaten (18) til raffinørplaten (20).

12. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at sensorlegemet (30) flyter på sensorelementene (26).

13. Kraftsensor (14) ifølge krav 12, karakterisert ved at sensorlegemet (30) flyter på sensorelementene (26) slik at den eneste koplingen mellom sensorlegemet (30) og raffinørplaten (10) skjer gjennom sensorelementene (26).

14. Kraftsensor (14) ifølge krav 12, karakterisert ved at den videre omfatter en holder (28), hvor sensorlegemet (30) flyter på sensorelementene (26) slik at den eneste koplingen mellom sensorlegemet (30) og minst en av raffinørplatene (10) og holderen (28) skjer gjennom sensorelementene (26).

15. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 11, karakterisert ved at å innbefatte en festeinnretning (65, 64, 60,62) for festing av sensorlegemet (30) til raffinøren.

16. Kraftsensor (14) ifølge krav 15, karakterisert ved at festeinnretningen (62) påfører en forbelasting til sensorelementene (26).

17. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at sensorelementene (26) er fastklemt mellom sensorlegemet (30) og et feste for sensorelementene (26) for å forbelaste sensorelementene (26).

18. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at sensorlegemet (30) og sensorelementene (26) er slik anordnet at sensorelementene (26) er i en vinkel i forhold til en slipeoverflate (16) hos raffinøren.

19. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det minst ene sensorelementene (26) er piezoelektriske.

20. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 18, karakterisert ved at sensorelementene (26) er piezokjeramiske.

21. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 20, karakterisert ved at den målte kraften er minst en kraft valgt fra skjærkraft og normalkraft.

22. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 17, karakterisert ved at sensorelementene (26) er tilpasset for tilkopling til signalbehandlingsutstyr.

23. Kraftsensor (14) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 22, karakterisert ved at kraftsensoren (14) har en første resonnansfrekvens som er minst 1.5 ganger ribbepassasjefrekvensen til raffinøren.

24. Fremgangsmåte for å måle kraft som virker på en raffinørstang (22) i en raffinør for å produsere eller behandle tremasse, karakterisert ved at den omfatter: å tilveiebringe et sensorlegeme (30) som har et sensorhode (32), hvor sensorhodet (32) er tilpasset til å erstatte hele eller et parti av raffinørstangen (22); å anordne minst to sensorelementer (26) i krafttransmisjonskontakt med, og understøttende sensorlegemet; å slipe trepartikler eller tremasse i raffinøren for å produsere tremasse eller raffinert tremasse, slik at kraften blir påtrykt sensorhodet (32) og et signal som er indikerende for kraften blir utviklet i de minst to sensorelementene (26), og evaluere signalet som et mål på kraften som påtrykkes sensorlegemet (30).

25. Fremgangsmåte ifølge krav 24, karakterisert ved at raffinørstangen (22) er på en raffinørplate eller -skive (10), hvor raffinørplaten (10) omfatter en slipende eller raffinør-overflate (16) som har raffinørstenger (22), og en ikke-slipende overflate (18) motstående til raffinøroverflaten (16).

26. Fremgangsmåte ifølge krav 25, karakterisert ved at sensorlegemet (30) er festet til raffinøroverflaten (16) til raffinørplaten (10).

27. Fremgangsmåte ifølge krav 25, karakterisert ved at sensorlegemet (30) er festet til den ikke-slipende overflaten (18) til raffinørplaten (10).

28. Fremgangsmåte ifølge krav 24 eller 27, karakterisert v e d at sensorlegemet (30) flyter på sensorelementene (26).

29. Fremgangsmåte ifølge krav 25, karakterisert ved at sensorlegemet (30) flyter på sensorelementene (26) slik at den eneste koplingen mellom sensorlegemet (30) og raffinørplaten (10) skjer gjennom sensorelementene (26).

30. Fremgangsmåte ifølge krav 28, karakterisert ved at den videre omfatter å tilveiebringe en holder (28) for sensorlegemet (30) og sensorelementer (26), hvor sensorlegemet (30) flyter på sensorelementene (26) slik at den eneste koplingen mellom sensorlegemet (30) og minst en av raffinørplaten (10) og holderen (28) skjer gjennom sensorelementene (26).

31. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 30, karakterisert ved å innbefatte påføring av en forbelastning til sensorelementene (26).

32. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 31, karakterisert ved å innbefatte fastspenning av sensorelementene (26) mellom sensorlegemet (30) og et feste for sensorelementene (26) for forbelastning av sensorelementene (26).

33. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 31, karakterisert ved å anbringe sensorelementene (26) i en vinkel i forhold til en slipeoverflate (16) hos raffinøren.

34. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 33, karakterisert ved at sensorelementene (26) er piezoelektriske.

35. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 33, karakterisert ved at sensorelementene er piezokeramiske.

36. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 34, karakterisert ved at den målte kraften er minst en kraft valgt fra skjærkraft og normalkraft.

37. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 36, karakterisert ved at skjærkraften og normalkraften blir målt, hvor de målte kreftene blir brukt til å regulere driften til en raffinør ved å manipulere en eller flere variabler valgt fra materialmatehastighet, massekonsistens, raffinørmotorbelastning, innløpstrykk, utløpstrykk, plategap og rotasjonshastighet, slik at forholdet mellom den målte normal og skjærkraften opprettholdes konstant eller innenfor et forutbestemt område.

38. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 24 til 37, karakterisert ved at den målte kraften brukes til å detektere kontakt mellom motstående skiver i en raffinør.

39. Fremgangsmåte ifølge krav 38, karakterisert ved at kontakt mellom motstående skiver blir korrigert ved å trekke tilbake en aksialt bevegbar plate i raffinøren.

40. Fremgangsmåte ifølge krav 38 eller 39, karakterisert ved at en rekke kraftsensorer (14) benyttes.

41. Raffinøranordning for tremasse med en avfølingsinnretning for bestemmelse av en parameter, karakterisert ved at avfølingsinnretningen innbefatter kraftsensoren (14) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 23.