SE464597B - Anordning foer att maeta mekaniska egenskaper, saasom styrka och ytvikt, hos folieliknande material, t ex papper - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 464 597 2 nr. 4 291 577, utnyttjas en kontakterande mätanordning för ultraljudsmätning. Denna innefattar såsom sändare ett piezo- elektriskt element, som genererar mekaniska svängningar med frekvensen 20 kHz. I det via det kontakterande piezoelektriska elementet exciterade papperet alstras på detta sätt lon- gitudinella högfrekventa vågor, som utbreder sig i materialet, i olika riktningar i materialbanans plan. En mottagare, som också består av ett kontakterande piezoelektriskt element, är anordnad på förutbestämt avstånd från sändaren och härigenom kan ultraljudets fashastighet, som är relaterad till papperets elasticitetsmodul, beräknas. Detta arrangemang är dock mycket känsligt för utifrån härrörande påverkningar, t.ex. det ovan nämnda bruset, okontrollerbara variationer i löpsträckor m.m.

Det torde även vara uppenbart för envar att en konstruktion med direkt kontakterande rörliga delar, såsom visas i ovannämnda US-patent nr. 4 291 577, även medför andra väsentliga nack- delar. Sålunda är den kända anordningen till sin upbyggnad förhållandevis komplicerad, vilket medför att felfunktioner lätt uppstår. Kontakten mellan sändaren/mottagaren och pappers- banan blir dessutom osäker vid höga banhastigheter och hög ytråhet. De kontakterande delarna kan också skada papperet.

Det är även känt att för mätning av mekanisk styrka hos ett stillastående eller i rörelse befintligt material utnyttja principen att beröringsfritt registrera ultraljudvågors utbred- ning. Ett sådant förfarande är beskrivet i exempelvis svensk patentansökan nr. 8017/70 (utläggnignsskrift nr. 359 962). De komplicerade samband, som vid detta förfarande råder mellan de uppmätta parametrarna och de elastiska papperskonstanterna samt förfarandets känslighet för okontrollerbara variationer hos förekommande luftströmmar intill materialbanan, medför emeller- tid att detta förfarande är svårt att tillämpa praktiskt för mätning on-line.

Det är även tidigare känt att utnyttja böjvågor, s k Lambs vågor, för att indikera tjocklek och felaktigheter hos skivor eller folier. Arrangemang av detta slag visas i exempel- vis US patent nr 2 536 128 och US patent nr 3 210 120. Från en strålningskälla inmatas då energi i en skiva eller folie under en viss infallsvinkel genom användning av en kopplingsvätska, varvid man mäter böjvågens fashastighet. Ett sådant förfarande 10 15 20 25 30 35 464 597 3 som bygger på utnyttjande av kontaktvätska är av natuliga skäl ej lämpligt för mätning på exempelvis papper.

Ytterligare ett sätt att mäta materialegenskaper via studier av från ett exciteringsställe utgående vågrörelser, i form av ultraljud, beskrivs i US patent nr. 4 180 324. Denna mätmetod kan visserligen i princip utnyttjas för att mäta ett folieliknande materials styrka punktvis, men då endast materia- lets styrka i z-led, dvs. tvärs igenom materialet i rät vinkel mot materialytan. En viktig särskiljande egenskap vid använd- ning av den nya anordningen enligt uppfinningen är, förutom att utbredningen av ultraljudvågor ej studeras, att den nya konst- ruktionen erbjuder möjlighet till lokal mätning av styrka i olika riktningar i materialets plan. Detta åstadkommes genom utnyttjande av det funna, via geometrisk utformning och orien- tering av utnyttjande exciteringszoner, förändringsbara samban- det mellan den genererade makroskopiska töjningen och materia- lets styrka i olika riktningar.

En annan känd metod som beskrivs i US patent nr. 4 674 332 kan i princip utformas för icke kontakterande mätning on- line. I detta fall genereras ultraljudsvågorna termiskt med hjälp av laserljus. Denna mätmetod kräver dock i likhet med den tidigare beskrivna mätmetoden enligt US patent nr. 4 291 577 noggranna mätningar av löptider eller fasförändringar, över väldefinierade löpsträckor, för fastställande av fashastigheten hos de ultraljudsvågor som genereras och som utbreder sig i materialet. Sådana mätningar är svåra att utföra noggrant, speciellt on-line, och erhållna resultat är även svåra att direkt relatera till för papperstillverkare meningsfulla styregenskaper, speciellt vid mätning på papper. En orsak till detta är att erhållna mätvärden utgör medelvärden uppmätta över relativt långa löpsträckor, vanligen tiotals centimeter vid mätning i papperets plan. Förekomsten av lokala minimivärden kan ha avgörande betydelse för sambandet mellan med ultraljud uppmätt pappersstyrka och pappersprovningsresultat erhållna i laboratorium vid konventionell pappersprovning.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är nu att åstadkom- ma en anordning av det inledningsvis nämnda slaget, vilken under eliminerande av nämnda nackdelar hos känd teknik, gör det möjligt att utföra den avsedda mätningen. Konstruktionen ska 10 15 20 25 30 35 464 597 4 således inte ha några rörliga delar i kontakt med pappersbanan, vilka kräver underhåll och lätt medför felfunktioner eller ger upphov till signalbrus. Konstruktionen ska inte heller ge upphov till kontaktproblem relativt papperet oavsett banans hastighet eller ytråhet. Uppfinningen ska ej heller bygga på uppmätandet av fashastigheten hos ultraljud som genereras och som utbreder sig i olika riktningar i materialet, då denna typ av mätning är svår att utföra tillräckligt noggrant on-line.

Uppfinningen ska vidare göra det möjligt att registrera materialets egenskaper lokalt inom mycket små ytelement, i storleksordningen kvadratmillimeter. Detta för att möjliggöra fastställandet av den statistiska lokala styrke- och massför- delningen samt förekommande lokala extremvärden, något som ej låter sig göras on-line med kända mättekniska lösningar.

Slutligen ska det också vara möjligt att vid mätningen regist- rera anisotropin i de mekaniska egenskaperna, vilka vid mätning på papper exempelvis är kopplade till cellulosafibrernas orien- teringsvinklar.

En anordning av det i inledningsstycket nämnda slaget, vilken uppfyller de ovan ställda kraven, utmärkes enligt uppfinningen främst av att exceteringsenheten är anordnad att med hjälp av från lasern avgiven elektromagnetisk strålning via lokal plasmagenerering inom minst en geometriskt väldefinierad ytzon hos materialet, som är bestämd av det med laserljus bestrålade ytområdets geometriska utsträckning, utan att materialet berörs av exciteringsenheten generera lokala tran- sienta gastryckpulser i den materialet omgivande gasblandning, vanligen luft, för åstadkommande av för aktuell mätning erfor- derlig lokal transient uttöjning av materialet i zonens gräns- områden, varvid detekteringsenheten är anordnad att utan att materialet berörs utföra avkänningen av materialets lokala uttöjning genom direkt eller indirekt detektering av föränd- ringar i materialets nämnda zon. Ytterligare särdrag i samband med uppfinningen framgår av de osjälvständiga patentkraven.

Uppfinningen medför speciellt nya unika möjligheter till frekvent on-line mätning av lokala variationer i styrka och massfördelning hos folieliknande material. Uppfinningen medger exempelvis att styrka och/eller ytvikt mäts på mindre än kvad- ratmillimeterstora områden, tusen gånger per sekund. i» 10 15 20 25 30 35 464 597 5 Den från lasern erhållna elektromagnetiska strålningen, som utgörs av en koherent pulsad kortvågig strålning, bringas att via lokal plasmagenerering ge upphov till ett transient mycket högt övertryck i en liten geometriskt väldefinierad gaszon i omedelbar närhet av det folieliknande materialets yta.

Den på detta sätt genererade tryckpulsen har ett mycket snabbt förlopp på mikrosekundnivån. Den tryckpuls, som utnyttjas för exciteringen av materialet, måste ha en ytterst kort stigtid, så att i huvudsak endast den del av materialets yta som befin- ner sig inom exciteringszonen hinner röra sig under aktuell tidsrymd. I annat fall uppnås ej den avsedda effekten, som utgör grunden för mätningen, dvs. en transient lokal uttöjning av materialet. Det kan noteras att varaktigheten hos tryckpul- sen i praktiken inte bestäms av laserpulsens varaktighet, vid laserpulser kortare än 100 ns, utan att det är exciterings- zonens geometriska utsträckning och det genererade plasmats egenskaper som är bestämmande. En cirkulär exciteringszon med 1 mm radie ger exempelvis en varaktighet på mikrosekundnivå hos den genererade tryckpulsen trots att laserpulsen har en varak- tighet på nanosekundnivå. Vid våra praktiska försök med mätning på papper har det sammanfattningsvis visat sig möjligt att på det ovan beskrivna sättet generera tryckpulser med tillräckligt korta stigtider. Det har även visat sig möjligt att, vid en effekttäthet på l0°W/cmzi exciteringszonen, åstadkomma erfor- derlig tryckpulsgenerering helt utan märkbar uppvärmning av pappersmaterialet, även vid upprepad excitering i samma punkt på stillastående pappersbana.

Hur stor töjning som uppstår vid exciteringen har vid försök visat sig bero av exciteringszonens geometriska ut- sträckning i olika riktningar i papperets plan, samt papperets dragstyvhet i dessa olika riktningar. Papperets ytvikt påverkar även töjningsförloppet kopplat till masströgheten hos det accelererade materialet inom exciteringszonen. Exciterings- zonens totala yta och det transienta exciteringstryckets amplitud påverkar naturligtvis även töjningens storlek men dessa parametrar kan betraktas som valbara och uppmätbara parametrar för en given mätkonfiguration. Genom att förändra exciteringszonens geometri och/eller orientering har det visat sig möjligt att variera de eftersökta materialegenskapernas 10 15 20 25 30 35 464 597 6 inverkan på den resulterande registrerade töjningen och på så sätt även få information om styrkeanisotropin. Detta kan i praktiken t.ex. göras sekventiellt genom excitering och vrid- ning av en rektangulärt utformad exciteringszon eller genom simultan excitering i flera punkter och utnyttjande av olika utformade eller orienterade exciteringszoner. Här finns många olika möjligheter enligt nämnda grundprincip.

En orientering av en långsträckt rektangulär exciterings- zon med sin längsaxel i den riktning, x-led, i vilken det folieliknande materialet uppvisar låg dragstyvhet, medför att en liten töjning erhålles. Man erhåller således en stor relativ inverkan från den höga dragstyrkan hos materialet i y-led. En orientering av exciteringszonen med sin längsaxel i y-led ger däremot stor töjning, dvs. stor relativ inverkan av den låga dragstyrkan i x-led hos materialet. Det bör påpekas att man vid mätning på pappersprover ibland kan erhålla en dragstyvhets- skillnad i de båda riktningarna, vilken innefattar en faktor 3.

Materialets ytvikt, vars inverkan på töjningen beror av exciteringszonens totala yta men i princip är oberoende av exciteringszonens orientering, kan även utläsas i det transien- ta töjningsförloppet. Ytviktens inverkan syns speciellt i initialfasen av töjningshändelsen, vilket motsvarar de höga frekvenskomponenterna i signalen från detekteringsenheten.

Materialets mekaniska styrka påverkar, i motsats till ytvikten, huvudsakligen de låga frekvenskomponenterna i signa- len från detekteringsenheten vilket i tidsplanet motsvaras av det tidsintervall, då materialet inom exciteringszonen retarde- ras.

Frekvensbandet mellan det ovan nämnda låga och höga frekvensområdet ger kompletterande information om aktuella energiförluster i samband med materialets lokala töjning.

Ovan nämnda förhållanden, dvs. varierande känsligheter för materialets olika mekaniska egenskaper inom olika frek- vensband/tidsintervall kopplat till exciteringszonernas geomet- riska utformning och orientering, utnyttjas i samband med mätanordningen enligt uppfinningen för beräkning av de sökta materialegenskaperna.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare nedan i form av föredragna utföringsexempel under hänvisning till de bifoga- 10 15 20 25 30 35 464 597 de ritningarna.

Fig. 1 visar i planvy från sidan en mätanordning, som är utformad enligt uppfinningens principer och anordnad i anslut- ning till en rörlig pappersbana.

Fig. 2 visar mätsituationen då materialet exciteras sekventiellt i en enda punkt med varierande geometiskt utformad exciteringszon, när detekteringen av det transienta töjníngs- förloppet sker med hjälp av en tryckkänslig sensor.

Fig. 3 visar mätsituationer då materialet exciteras simultat i två punkter med olika geometriskt utformade excite- ringszoner, när detekteringen av det transienta töjningsför- loppet sker med hjälp av optiska sensorer.

Det i fig. 1 åskådliggjorda arrangemanget, som i block- schemaform visar ett utförande av den nya mätanordningen i anslutning till en i pilriktningen fortlöpande frammatad pappersbana 10, åskådliggör huvudprinciperna för uppfinningen.

Härvid sker såväl excitering som detektering beröringsfritt med avseende på pappersbanan 10 medelst en över denna anordnad exciteringsenhet 12 respektive en under densamma anordnad detekteringsenhet 14. Detekteringsenheten 14 är via en signal- ledning 16 ansluten till en med utgång 19 försedd beräkningsen- het 18. Denna innefattar en dator med anpassningsdon (ej visat) c ~ är lämpligen utformad på sådant sätt, att den förutom att - L ående från aktuellt transient töjningsförlopp, sett i tids- eller frekvensplanet, beräkna den bestämbara lokala styrkan och ytvikten hos materialet vid mättillfället, om så erfordras på i och för sig känt sätt medelst kompenseringsorgan 20, även kompenserar dessa beräknade värden med avseende på temperatur-, fukt- och tjockleksvariationer. Härigenom kan de eftersökta materialegenskapernas motsvarande numeriska värden under standardiserade mätbetingelser fastställas. Beräkningsenheten 18 mottar via en ytterligare signalledning 22 även en referens- signal avseende strålningsintensitet från exciteringsenheten 12.

Ett uppförstorat parti 24 i anslutning till det område, där den från exciteringsenheten 12 utgående laserstrålen 26 träffar pappersbanan 10, åskådliggörs också i anslutning till fig. 1. Här visas en plasmazon 28 jämte materialbanans lokala transienta töjning 30 på grund av alstrat lokalt transient 464 597 10 15 20 25 30 35 8 övertryck, i plasmazonens 28 gränsområde mot materialytan.

Olika former för själva exciteringszonen 32 resp. 34 visas också i anslutning till fig. 1 i uppförstorad skala.

Zonerna kan, såsom framgår, t.ex. vara cirkulära eller ha avlång form.

Vid det på ritningen återgivna arrangemanget innefattar exciteringsenheten 12 en s.k. EXCIMER-laser. Denna har förmåga att generera korta pulser av kortvågig ljusstrålning med tillräckligt hög energi för att en lokal plasmagenerering skall komma till stånd. Detta är, såsom tidigare nämnts, en förut- sättning för erhållande av den avsedda tryckpulsgenereringen och mätningen. För plasmagenerering krävs en mycket hög effekt- täthet, vanligen överstigande 104 W/crf.

Vid utföringsformen enligt fig. 2 arbetar exciteringsen- heten 12' med en enda laserstrâle 26'. Denna alstras av en laser 36 via en bländare 38 och en lins 40. I anslutning till fig. 2 visas också två olika typer av bländare 38a resp. 38b, vilka bländare kan användas för erhållande av exciteringszoner i olika materialriktningar. Den övre bländaren 38a har två öppningar, som genom förskjutning i pilriktningen åstadkommer avsedd avbländning av laserstrålen 26'. Samma avbländning erhålles också med den undre alternativa bländaren 38b, som är roterbar. _ Detekteringsenheten 14' enligt fig. 2 utgörs av en lufttryckkänslig sensor. Denna erhåller erforderlig information om materialets transienta töjning, då materialelement inom en exciteringszon accelereras vid töjningshändelsen och därvid ger upphov till en tryckvåg i den omgivande luften. Den på så sätt genererade tryckvågens förlopp ger den för beräkningen av de eftersökta mekaniska egenskaperna erforderliga informationen om det transienta töjningsförloppet.

Vid utföringsformen enligt fig. 3 visas den nya mätanord- ningens arbetssätt då den från en laser 36' erhållna strålen uppdelas och lämnar exciteringsenheten 12" såsom två simultant arbetande laserstrålar El och E2. I exciteringsenheten 12" uppdelas alltså laserstrålen via reflekterande speglar 39, 41, bländare 42, 44 och linser 46, 48 - företrädesvis cylinder- linser - i nämnda båda laserstrålar E1 och E2. Dessa strålar är riktade mot pappersbanan 10 och ger samtidigt upphov till 10 15 20 464 597 9 tryckpulser i två olika orienterade exciteringszoner. Härvid sker detektering på motstående sida av pappersbanan 10 på lämpligt avstånd från respektive exciteringsställe. Detekte- ringen sker med hjälp av en optiskt lägesavkännande detek- teringsenhet 14".

Vid de ovan beskrivna utföringsformerna erhålles från respektive beräkningsenhet en utsignal, som ger information om pappersbanans 10 lokala styrka och ytvikt.

Såsom torde vara uppenbart för fackmannen kan den ovan demonstrerade grundprincipen för den nya mätanordningen enligt uppfinningen modifieras på olika sätt med avseende på detalj- utförande inom ramen för de efterföljande patentkraven. Det torde också ligga inom uppfinningens ram att för distribution av utnyttjade laserstrålar använda fiberoptik, vilket gör det möjligt att placera mätanordningen lättillgänglig på önskat avstånd från aktuell pappersbana. Vidare är det enkelt att arrangera den nya mätanordningen för s.k. traversering. Detta innebär att anordningen är förflyttbar tvärs pappersmaskinens matningsriktning även under drift. Istället för den i fig. 1 visade detekteringsenheten kan även utnyttjas ett i och för sig känt detekteringsarrangemang för registrering av t.ex. lokala densitetsändringar till följd av materialets töjning.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 464 597 10 Patentkrav

1. Anordning för att mäta mekaniska egenskaper, såsom styrka och ytvikt, hos folieliknande material (10), t.ex. papper, med användning av en materialet påverkande ex- citeringsenhet (12), som innefattar en laser (36), och en det exciterade materialet avkännande detekteringsenhet (14), varvid nämnda enheter (12, 14) är elektriskt kopplade till en beräk- ningsenhet (18), anordnad att registrera och omvandla från de båda förstnämnda enheterna (12, 14) härledda elektriska sig- H naler, som representerar mätningens utgångsvärden, för beräk- ning av de sökta egenskaperna representerande slutsignaler, k ä n n e t e c k n a d av att exciteringsenheten (12) är anordnad att med hjälp av från lasern (36) avgiven elektromag- netisk strålning via lokal plasmagenerering inom minst en geometriskt väldefinierad ytzon hos materialet (10), som är bestämd av det med laserljus bestrålade ytområdets geometriska utsträckning, utan att materialet berörs av exciteringsenheten (12) generera lokala transienta gastryckpulser i den materialet omgivande gasblandningen, vanligen luft, för âstadkommande av för aktuell mätning erforderlig lokal transient uttöjning av materialet (10) i zonens gränsomrâden, varvid detekteringsen- heten (14) är anordnad att utan att materialet (10) berörs utföra avkänningen av materialets lokala uttöjning genom direkt eller indirekt detektering av förändringar i materialets nämnda zon.

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att detekteringsenheten (12) är anordnad att detektera transienta läges- eller densitetsförändringar.

3. Anordning enligt något av kraven 1 och 2, k ä n n e - t e c k n a d en pulsad gaslaser, företrädesvis av EXCIMER-typ. av att lasern (36) i exciteringsenheten (12) är

4. Anordning enligt något av kraven 1-3, k ä n n e - t e c k n a d excitera materialet i en eller flera punkter simultant och/- av att exciteringsenheten (12) är anordnad att eller sekventiellt.

5. Anordning enligt kravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att exciteringsenheten (12) är anordnad att excitera mate- rialet inom geometriskt olika utformade och/eller orienterade exciteringszoner. 10 15 20 25 464 597 ll ' '

6. Anordning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e- t e c k n a d av att detekteringsenheten (14) är anordnad att detektera materialets (10) förändringar i en eller flera punkter sekventiellt och/eller simultant.

7. Anordning enligt något av kraven 1-6, t e c k n a d av att detekteringsenheten (14) innefattar en eller flera lufttryckskänsliga sensorer, vilka är anordnade att k ä n n e - registrera utgångsvärden för beräkning, i beräkningsenheten (18), av till aktuellt transient lokalt töjningsförlopp kopp- lade lokala mekaniska materialegenskaper.

8. Anordning enligt något av kraven 1-7, k ä n n e - t e c k n a d av att detekteringsenheten (14) innefattar en eller flera optiska lägesavkännande sensorer, anordnade att registrera utgångsvärden för beräkning, i beräkningsenheten (18), av till aktuellt transient lokalt töjningsförlopp kopp- lade lokala mekaniska materialegenskaper.

9. Anordning enligt något av kraven 1-8, k ä n n e - t e c k n a d kompensera aktuell störande inverkan på samband mellan efter- sökta mekaniska egenskaper och uppmätt lokal transient mate- rialtöjning till följd av temperatur-, fukt- och tjock- leksvariationer hos materialet (10) vid mätningen. av att beräkningsenheten (18) är anordnad att