SE1100700A1 - Metod och anordning för mätning av topografi på ytan av en materialbana - Google Patents

Abstract

Förfarande för att i väsentlig realtid mäta topografin av ytan på en materialbana (3) vilkenbefinner sig i rörelse genom att bestråla en tvärgående, eller väsentligen tvärgående, yta avmaterialbanan (3) med en linje av optisk strålning som avges av minst en första optiskstrålningskälla (4) varvid den reflekterade optiska strålningen från den bestrålade materialbanans(3) yta (2) insamlas (registreras) av minst en bildsensor (5), varvid den av bildsensom (5)insamlade informationen sammanställs och bearbetas av minst en bearbetningsanordning (6) tilltopografisk information om materialbanans (3) yta (2) varefter den topografiska informationenlagras på ett lagringsmedium eller överförs till annan enhet. Unikt med det föreliggandeförfarandet är att minst två sensorer (5) samlar in informationen som innehåller ett brett spatielltvåglängdsspektra i materialbanans (3) tvärriktning, eller väsentlig tvärriktning, samt attmätningen sker när materialbanans (3) rörelsehastighet i materialbanans längsriktning uppgår till minst 10 meter per minut.

Description

mycket korta topografiska våglängspektra med låg dynamik. Standardmetoder som karakteriserar en linje är baserade på triangulering, dessa har en begränsning eftersom det finns en begränsning i hur stor dynamik mätmetoden har i relation till mätnoggrannheten.

En svårighet med att mäta topografin på ytan av materialbanor i industriella processer är att materialbanoma framförs med en hög hastighet i materialbanans längsriktning. Exempelvis förekommer det att materialbannor av papper i pappersmaskiner framförs med en hastighet på över 400 meter per minut. Vid dessa hastigheter råder stora svårigheter att samla in information för mätning av materialbanans topografi.

Känd teknik Metoder för att mäta topografi på materialbanor är sedan tidigare kända. Exempelvis beskrivs i patentskriften WO 2009/083655Al ett bildande av ett ojämnhetsvärde av ljusblixtar från källor som avger olika spektra av ljus. Denna metod skiljer sig från metoden enligt den föreliggande uppfinningen i att ljuset inte bildas som en linje som indikerar att den faktiska topograñn i tvärríktning över pappret (Cross-machine Direction) inte mäts, utan snarare ett medelvärde av den relativa höjden förändring över en yta. Med den föreliggande uppfinningen är bildandet av ett våglängdsspektra ett resultat av mätningen, vilket inte är möjligt i den beskrivna patentskriften. Endast en kamera används i patentskriften, och detta tyder på att längre våglängder inte mäts, vilket är också en viktig skillnad jämfört med den föreliggande uppfinningen.

I patentskriften WO0O/68638 Al beskrivs en metod för att mäta ojämnheter/ytjämnhet och glans, snarare än topografi. En yta är upplyst och ett medelvärdesmått på ojämnheter/ytjämnhet och glans produceras. Patentskrifien beskriver ingen hantering av någon rumslig våglängdsanalys eller tvärriktningstopografi. Dessutom beskriver inte patentskriften onlinemätningar.

I patentskriften SE 511985 C2 beskrivs en metod att extrahera topografi från en yta genom att belysa den med diffust ljus. Det belysta området är mycket begränsat (5 x 5 mm) vilket medför att de längre rumsliga våglängdema i mäts. Den i patentskriften beskrivna metoden skiljer sig vidare från den granskade konstruktionen genom att denna inte är avsedd för onlinemätningar.

I patentskriften SE 528526 C2 beskrivs en metod som är avsedd som ett komplement till ytjämnhetsmätningar, där större defekter på pappersytan upptäcks med hjälp av snedställt ljus på en yta. Detta ger ett numeriskt mått på hur jämn ytan är. Metoden som den beskrivs i patentskriften mäter inte den faktiska topografin i papperets tvärriktning (Cross-machine Direction). Till skillnad frän föreliggande uppfinning är metoden i patentskriften också bara avsedd för studier i laboratorium i stället för onlinemätningar.

I patentskriftema FI 914794 A och FI 91676 C beskrivs metoder där en laserpunkt sveps över ytan, i stället för att projicera en linje av ljus, som den föreliggande uppfinningen. Dessa beskrivna metoder använder också bara en kamera. Kombination av dessa saker innebär att längre rumsliga våglängder går förlorade. En korrekt faktiska topografiska representation i papperets tvärriktning (Cross-machine Direction) uppnås inte, utan snarare ett medelvärde av ytans ytjämnhet.

Med avseende på problemen med den befintliga tekniken är det uppenbart att det föreligger ett behov av en väsentlig förbättrad utrustning för att mäta topografin i en materialbana i realtid. Ändamålen med den föreliggande uppfinningen Det huvudsakliga ändamålet med den föreliggande uppfinningen är att skapa en väsentligt förbättrad metod för att mäta topografi på en materialbana. Ett annat ändamål med den föreliggande uppfinningen är att mäta topografin på en materialbana under rörelse. Ett ännu ytterligare ändamål med den föreliggande uppfinningen är att skapa en metod för att mäta pappersbanans topografi i pappersbanans tvärriktning (cross direction). Det är vidare ännu ett ytterligare syfte med den föreliggande uppfinningen att mäta ett brett spatiellt våglängdsspektra med stor dynamik.

Kortfattad beskrivning av i följande stycken hänvisade figurer I den följande detaljerade beskrivningen av den föreliggande uppfinningen kommer hänvisning och referenser till följande figurer att ske. Respektive figur beskrivs kortfattat i den följande figurförteckningen. Notera att figurema är schematiska och att detaljer därmed kan vara utelämnade i dessa. De i figurema exemplifierade utföringsformema är inte begränsande för skyddsomfånget för den föreliggande patentansökan.

Figur 1 visar från sidan schematiskt principen för en anordning i enlighet med den föreliggande patentansökan.

Figur 2 visar snett uppifrån schematískt principen för en anordning i enlighet med den föreliggande patentansökan. Här har den mekaniska upphängningen av utrustningen utelämnats.

Figur 3 visar snett uppifrån en altemativ utföringsform av den föreliggande uppfinningen. Här har den mekaniska upphängningen av utrustningen utelämnats.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Med hänvisning till figurema visas schematiskt en anordning 1 för att väsentligen i realtid mäta topografin av ytan 2 på en materialbana 3 som befinner sig i rörelse i materialbanans längsriktning.

Materialbanan 3 utgörs av en materialbana 3 vilken framförs med en hastighet av minst 10 meter per minut i förhållande till anordningen 1. I den föredragna utföringsforrnen av den föreliggande uppfinningen utgörs materialbanan 3 av en materialbana 3 i en maskin som framställer papper, papperboard, kartong eller liknande där materialbanan 3 framförs med en hastighet överstigande 100 meter per minut. Företrädesvis framförs materialbanan 3 med en hastighet överstigande 400 meter per minut. I altemativa utföringsformer är det tänkbart att materialbanan 3 utgörs av någon annan typ av materialbana 3 vilken framför med en hastighet överstiganden 10 meter per minut och företrädesvis överstigande 100 meter per minut.

F öreträdesvis mäts topografin av ytan 2 i materialbanans 3 tvärriktning eller väsentli ga tvärriktning. I altemativa utföringsformer är det tänkbart att mätningen av topografin på materialbanans 3 yta 2 utförs i en annan riktning än den tvärgående eller den väsentligen tvärgående riktningen.

Anordningen 1 innefattar vidare minst en elektromagnetiskt strålningsavgivande källa såsom företrädesvis en optisk strålningskälla 4, minst en bildsensor 5 och minst en bildbearbetningsanordning 6. Bearbetningsanordningen 6 bearbetar den insamlade informationen från bildsensom, eller bildsensorema, 5. Bearbetningsanordningen 6 förutsätts innefatta erforderlig utrustning för lagring och bearbetning av bildsensoms, altemativt bildsensoremas, insamlade information. Företrädesvis innefattar bearbetningsanordningen även en funktion för att överföra den insamlade och/eller bearbetade information till annan typ av enhet eller liknande.

Iden visade figuren är den elektromagnetiskt strålningsavgivande källan (eller källoma) 4 och bildsensorema 5 anslutna till en stomme, struktur eller liknande. Stommens, eller liknandes, tekniska effekt är att denna positionerar den strålningsavgivande källan, eller källorna, och bildsensoma inbördes i förhållande till varandra och i relation till materialbanan 2. Stommens, eller liknandes, konstruktion kan variera i stor omfattning inom ramen för den föreliggande uppfinningen.

Den enskilda optiska strålningskällan 4 kan innefatta en eller flera optiska strålningskällor.

F öreträdesvis avger den optiska strålningsavgivande källan 4 optisk strålning inom frekvensområdet 100 nm till 1 mm.

Den optiska strålningskällan 4 kan utgöras av, eller innefatta, LED, laser eller någon annan för ändamålet lämplig strålningskälla 4. I den föredragna utföringsformen används exempelvis en NIR laser som optisk strålningskälla, då det synliga spektrat innefattande ambient ljus i rummet kan filtreras bort. (komplettera med positiva effekter av att använda NIR laser). Det är vidare tänkbart att olika typer av optiska strålningskällor kombineras och används i anordningen 1.

Principen för att utföra mätningen i enlighet med förfarandet enligt den föreliggande patentansökan går ut på att minst en tvärgående, eller väsentligen tvärgående yta av materialbanan bestrålas (projiceras) med minst en linje 7 av optisk strålning avgiven av minst en strålningsavgivande källa 4. Den elektromagnetiska strålningen projiceras med infallsvinkel V1 mot materialbanans yta. Vinkel V1 utgörs av vinkeln mellan materialbanans yta och den avgivna elektromagnetiska strålningens vinkel (huvudsakliga vinkel). Vinkeln V1 ligger företrädesvis inom intervallet 20-90 grader.

Vid bestrålningen av ytan reflekteras delar av den optiska strålningen av ytan och delar av strålningen absorberas av ytan. Den reflekterade optiska strålningen i en viss riktning mot en viss punkt, linje eller yta varierar i förhållande till den bestrålade materialbanans topografi. Denna variation yttrar sig som laterala avvikelser hos ljuslinjen relativt en tänkt rak linje, och samlas in via minst en sensor 5 eller företrädesvis minst två eller flera sensorer 5. Infonnationen från sensorn 5, eller sensorema 5, utnyttjas i den föreliggande uppfinningen som ingående information till bearbetningsanordningen 6 i vilken den insamlade informationen bearbetas till topografisk information om materialbanans yta.

Sensom 5, eller sensorema 5, som samlar in information om den reflekterade optiska strålningen är företrädesvis vinklade enligt vinkel V2 i förhållande till materialbanan. Vinkel V2 utgörs av vinkeln mellan materialbanans yta och sensoms, altemativt sensorernas insamlingsriktning.

Vinkeln V2 ligger företrädesvis inom intervallet 20-90 grader. Företrädesvis innefattar konstruktionen ett flertal sensorer 5 vilka avkänner den reflekterade optiska strålningen och överför och/eller lagrar den insamlade informationen från respektive sensor 5 på ett för ändamålet lämpligt lagringsmedium. Skillnader i den topografiska höjden på ytan av materialbanan medför olika spatiala avvikelser av linjens position i förhållande till en ideal rak linje.

I den exemplifierande utföringsforrnen har ett flertal sensorer 5 satts samman i materialbanans tvärriktning, eller väsentliga tvärriktning, så att dessa var för sig samlar in information av delar av den tvärgående linjen. Den insamlade informationen från sensorema 5 bearbetas av _ bearbetningsanordningen och sätts ihop så att den insamlade information återger linjen i sin fulla längd. Vinkeln mellan bíldsensorema 5 och linjen 7 gör att linjen i bildema kröker sig efter ytans topografi, se figur. Dessa vinklar optimeras för en viss yta i en specifik applikation, där en grov yta behöver en större vinkel mellan mätytan och ljuskällan, då skuggningar på ytan annars skulle distordera mätningarna, medan en slät yta behöver en mindre vinkel, då det behövs en högre relativ intensitet hos den topograflska informationen. Därefter beräknas linjens centrumlinje.

Denna centrumlinje ses sedan som en uppskattning av ytans topografi utefter linjen. Denna reducering av data möjliggör också att datamängden kan processas i realtid. Centrumlinjen transforrneras sedan för att ge information om de spatiella våglängdema på ytan, där våglängdsspektra är något som företag i pappersindustrin använder som ett kvalitetsmått för tryckkvalitet. För att beskriva ett pappers genomsnittliga topografiska information tas medelvärden av flera linjer. I höga hastigheter går det inte att ha närliggande linjer utan mätningama av linjer måste ske med ett visst tidsintervall och medelvärdesbilda dessa.

Det unika med metoden är att den möjliggör mätning av topografisk information, som innehåller ett brett våglängdsspektra, tvärsöver en yta medan ytan rör sig med hög hastighet. I pappersindustrin har företag tidigare provat att mäta på en punkt längs pappersbanan, en riktning vanligen benämnd Machine Direction (MD). Det har dock visat sig att det finns större variation i flertalet våglängder på ytan 2 tvärs över papperet (materialbanan), en riktning många kallar Cross-machine Direction (CD). Med denna nya metod finns möjligheten att få ett kvalitetsmått för tryckbarhet i CD online i pappersmaskinen.

Denna metod har en begränsning i hur korta våglängder som kan mätas. Eftersom metoden använder centrum av en linje vars linjebredd innehåller flera bildpunkter kan metoden inte utnyttja bildsensoremas fulla upplösning. En kompletterande metod till denna metod är att projicera ljus 8 infallande från en liten vinkel (~10-20 grader) relativt ytan med en kompletterande ljuskälla 9. I detta fall kan ytans skuggningar utnyttjas fór att öka intensiteten hos de topografiska värdena. I detta fall måste linjer från ljuset från ljuskällan 9 deriveras innan de transformeras för att återskapa topografin som distorderats av skuggningar. Denna metod lämpar sig för korta spatiella våglängder <50um, och kompletterar och utökar befintliga våglängdsspektra med korta våglängder.

Iden detaljerade beskrivningen av den föreliggande uppfinningen kan konstruktionsdetaljer vara utelämnade som är uppenbara för en fackman inom det område uppfinningen avser. Sådana uppenbara konstruktionsdetaljer ingår i den omfattning som krävs för att en fullgod funktion för den föreliggande uppfinningen skall uppnås. Även om vissa föredragna utförandeformer har beskrivits i detalj, kan variationer och modifieringar inom ramen för uppfinningen komma att framgå för fackmännen inom det område uppfinningen avser. Samtliga sådana varianter anses falla inom ramen för de efterföljande patentkraven. Det är exempelvis tänkbart att mätningen av topografi genomförs i kombination med mätning av minst en annan egenskap hos materialbanan.

Fördelar med uppfinningen Med den föreliggande uppfinningen uppnås ett antal fördelar. Den viktigaste fördelen är att en väsentligt förbättrad metod för att mäta topografin i en pappersbanas tvärriktning erhålls. Med denna nya metod erhålls möjligheten att få ett kvalitetsmått för tryckbarhet i tvärriktningen i en pappersmaskin i realtid.

Claims (4)

Patentkrav

1. Förfarande fór att i väsentlig realtid mäta topografin av ytan på en materialbana (3), vilken rör sig med en hastighet om minst 10 meter per minut i materialbanans längsriktning, genom att bestråla en tvärgående, eller väsentligen tvärgående, yta av materialbanan (3) med en linje av optisk strålning som avges av minst en första optisk strålningskälla (4) varvid den reflekterade optiska strålningen från den bestrålade materialbanans (3) yta (2) insamlas (registreras) av minst en bildsensor (5), varvid den av bildsensom (5) insamlade informationen sammanställs och bearbetas av minst en bearbetningsanordning (6) till topografisk information om materialbanans (3) yta (2) kännetecknat av att insamlingen av information sker med minst två sensorer (5) vilka samlar in information som innehåller ett brett spatiellt våglängdsspektra avseende linjens laterala avvikelser från en rak linje i materialbanans (3) tvärriktning eller väsentliga tvärriktning, vars insamlade information överförs till minst en bearbetningsanordning (6) med vilken den av sensorerna insamlade informationen transformeras till topografisk information om materialbanans (3) yta (2), varefter den topografiska informationen lagras på minst ett lagringsmedium eller överförs till minst en annan enhet.

2. Förfarande i enlighet med patentkrav 1 kännetecknat av att sensom (5) mäter ett våglängdsområde där relationen mellan den kortaste och den längsta våglängden är minst 200 gånger.

3. Förfarande i enlighet med patentkrav l kännetecknat av att sensom (5) mäter ett väglängdsområde där relationen mellan den kortaste och den längsta våglängden är minst 1000 gånger.

4. Förfarande i enlighet med patentkrav 1 kännetecknat av att genom att sätta samman den topograñska informationen från flera bildsensorer genom korrelering och konkatenering av de överlappande avbildade linjema, skapa våglängdsspektra innehållande längre våglängder. 10. 10 Förfarande i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att linjema mäts med ett visst tídsmellanrum, linjema medelvärdesbildas och våglängdsspektra bildas av medelvärdena med hjälp av transformer. Förfarande i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att materialbanan består av papper, paperboard eller kartong. Förfarande i enlighet med minst ett ovanstående patentkrav kännetecknat av en eller flera ljuskällor med låg koherens för att minska koherensbruset i de avbildade linjema och därmed öka noggrannheten på mätníngama. Förfarande i enlighet med patentkrav l kännetecknat av att materialbanan hastighet överstiger 100 meter/minut. Förfarande i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att mätningarna innefattar minst en linje av ljus tvärs över ytan som ska kunna mäta i en hastighet över 400 meter/minut. Förfarande i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att förfarandet kompletteras med ljus avgiven från minst en andra optisk strålningskälla vars ljus infaller med en vinkel inom intervallet 10-20 grader relativt materialbanans yta, där det infallande ljuset används för att noggrannare beräkna intensiteten i de korta våglängdema(c:al0-100 um), där man i detta fall utnyttjar ytans skuggningar för att öka intensiteten hos de topografiska värdena, och att man i detta fall måste derivera linjerna innan de transfonneras för att återskapa topografin som distorderats av skuggningar.