SE465539B - Foerfarande och apparat foer analys av fiberorienteringskvot, flockighet och ytvikt - Google Patents

Description

465 539 2 är det önskvärt att erhålla en hög kvot av fiberorientering i en riktning i motsats till alla andra riktningar. En sådan produkt skulle mycket lätt rivas i en riktning parallell med den höggradigt orienterade riktningen, och ge maximal håll- fasthet vinkelrätt mot den parallella riktningen.

Orientering av fibrer under tillverkning av en bana kontrol- leras genom justering av hastigheten på massatillförsel- strålen i förhållande till hastigheten på viran. Slump- mässigheten i orienteringen maximeras genom att matcha de två hastigheterna exakt. Orientering i maskinriktningen maximeras genom att noggrant kontrollera viran och strålen vid något olika hastigheter. Åtskilliga metoder för bestämning av fiberorienteringen är tidigare kända. Dessa inkluderar olika typer av hållfasthets- tester, i vilka draghållfastheten i olika pappersriktningar mäts. Användbara resultat erhålles med dessa metoder endast om det föreligger en hög korrelation mellan draghållfasthet och orientering, vilket inte alltid är fallet. Ett annat förfarande för bestämmande av fiberorientering är den s k “färgnings"-metoden.Färgade fibrer tillsätts massan och de fibrer som ligger i olika riktningar räknas individuellt.

Denna teknik är tidsödande, och inte lämplig för användning under produktionen av konventionella produkter.

Olika metoder för bestämning av fiberorientering som baseras på diffraktion av strålning är också kända. Exempelvis har man studerat röntgen- och neutrondiffraktionsmetoder, men deras slutgiltiga användbarhet har inte ännu fastlagts. En svårighet som föreligger med sådana metoder är tolkningen av de erhållna diffraktionsmönstren. Ultraljudstekniker har också utnyttjats för analys av fiberorientering, varvid man utnyttjar alstring- en av vågor i papperet.

I patentskriften US-3 807 868 beskrivs ett förfarande för bestämning av fiberorientering i papper med användning av reflekterat ljus. En stråle av polariserat ljus, såsom en f". 465 539 3 laserstråle, riktas i rät vinkel mot papperets plan. Intensi- teten på det av papperet reflekterade ljuset under en given vinkel observeras i två plan i rät vinkel till varandra. Två storheter bildas av intensiteten på det reflekterade ljuset.

En erhålls genom att det reflekterade ljuset leds att passera genom en polarisator med det polariseringsplan som är parallellt med ljusstrålens polarisationsplan. Den andra stor- heten erhålles genom att det reflekterade ljuset leds att passera genom en polarisator vars polarisationsplan är vinkel- rät mot ljusstrålens polarisationsplan. Skillnaderna mellan de två observerade storheterna i bägge planen beräknas, och kvoten mellan dessa skillnader används såsom ett mått på fiberorienteringen. Förfarandet som beskrivs i den nämnda patentskriften utnyttjar ett stationärt arrangemang av ljus- källa och detektor.

En annan parameter av intresse vid fibersubstrat såsom papper, benämns "flockighet". När ett pappersark ser likformigt ut då man ser genom det mot en ljuskälla, kallas dess flockighet god, medan en oregelbunden, kornig eller fläckig struktur kan beskrivas som den är eller kan benämnas "vild" flockighet. I de amerikanska patenten US-3 435 240, 3 435 242, 3 563 667 beskrivs apparatur för mätning av flockighet för papper. I de två förstnämnda patentskrifterna riktas två fotomultiplika- torer mot stora respektive små ytor på en pappersbana som rör sig. Fotomultiplikatorernas synfält överlappar på ett sådant sätt att den stora arean omger den mindre. Transmittansen från en liten ljusfläck på papperet jämförs med transmittansen från en mycket större ljusyta på papperet, för att ge en signal som representerar flockighet. I den sistnämnda av de tre patent- skrifterna görs en flockighetsmätning genom att en ljusstråle får passera genom papperet, och får verka på ett ljuskänsligt element på andra sidan om papperet. En ström som är propor- tionell mot ljusintensiteten alstras, vilken ström är samman- satt av likströms- och växelströmskomponenten.Växelströms- komponenten representerar olikformigheten i papperets flockig- het. En annan egenskap hos papper som är av betydelse är dess ytvikt. Papperets ytvikt uttryckt i kg (pounds) är vikten av 465 539 4 ett ris på 500 ark med storleken 603 mnlx 905 mn1(24“ x 36"L På grund av inneboende ofullkomligheter i tillverknings- processen, har pappersindustrin under många år besvärats av variationer i ytvikten tvärs över arket under tillverkningen.

Olika typer av apparatur för mätning av papperets ytvikt beskrivs i de amerikanska patentskrifterna US-3 207 901, 3 687 802 och 4 098 641. Förfarandet enligt det andra av dessa patent bestämmer ytvikten genom användning av en gamma- eller betastrålningsapparat. Det första och det tredje av de nämnda patenten bestämmer bägge ytvikten genom att bringa ljus att passera genom en pappersbana som rör sig. Mängden ljus som transmitterats genom papperssubstratet är en funktion av papperets ytvikt.

Det skulle vara en fördel att ha tillgång till ett förfarande och en apparat för bestämning av olika parametrar hos ett fibersubstrat, såsom fiberorientering, flockighet, och ytvikt.

Sådan apparatur och ett sådant förfarande bör vara mycket nog- granna för att ge meningsfulla resultat antingen under till- verkningen i en tillverkningsprocess, eller såsom en del av en kvalitetskontrollprocedur för ett tillverkat substrat. Utrust- ning med denna förmåga skulle ge en omedelbar kvantitativ återkoppling till tillverkaren. En sådan återkoppling skulle i slutänden ge en sluten krets och garantera det konstanta förhållandet mellan strålens och virans hastighet, som är så viktigt för tillverkaren. Den föreliggande uppfinningen avser ett sådant förfarande och en sådan apparat.

Sammanfattning av uppfinningen I enlighet med den föreliggande uppfinningen erbjuds en apparat för analys av egenskaper hos ett fibersubstrat, av det slag som innefattar en ljuskälla för riktande av ljus genom ett substrat, som skall analyseras; en första ljusdetektor och en andra ljusdetektor för detektering av det genom substratet passerande ljuset. Enligt uppfinningen uppvisar apparaten en första slits för begränsning av den första ljusdetektorns syn- fält för det genom substratet passerande ljuset till en smal 465 559 5 remsa i en första riktning; en andra slits för begränsning av den andra ljusdetektorns synfält för det genom substratet passerande ljuset till en smal remsa i en andra riktning, huvudsakligen vinkelrät mot den första riktningen; ett organ substratet i de första och de andra riktningarna; ett signal- behandlingsorgan innefattande bandpassfilter och demodula- torer, kopplade till den första resp. den andra detektorn för varvid signalerna anger antalet fibrer i substratet, och en delningskrets som ger en kombinerad signal från de filtrerade, demodulerade signaler, som anger kvoten mellan fibrerna i substratet som är orienterade i den första riktningen och de som är orienterade i den andra riktningen; ett processorgan innefattande två resistanser för summering av utgångs- signalerna från den första resp.den andra detektorn, filter skillnadssignal från denna; samt en effektkontrollanordning och en strömavkännare för justering av ljuskällans ljusstyrka i enlighet med skillnadssignalen, till upprätthållande av en konstant nivå på mängden ljus, som passerar genom substratet, korset utför avsökningen, kan exempelvis vara en cirkel eller en rosett.En sådan avsökning kan åstadkommas genom använd- ning ett roterande kilformigt prisma för det cirkulära mönstret, och ett par åt motsatt håll roterande kilformiga prismor för rosettmönstret. 465 539 6 I enlighet med uppfinningen föreslås vidare ett förfarande av det inledningsvis angivna slaget, vid vilket det ljus, som passerar genom substratet uppfångas av en första detektor med ett synfält, som är begränsat av en avlång slits, i en första riktning, och av en andra detektor med ett synfält, som är begränsat av en avlång slits, i en andra riktning, vinkelrät mot den första riktningen; synfälten för den första och den andra detektorn avsöks i ett repetitivt mönster i såväl den första som den andra riktningen, så att ett område på substra- tet, som skall analyseras, täckes; utgångssignalerna från den första och den andra detektorn behandlas under avsökningsste- get och ger en signal, vilken anger kvoten mellan de fibrer i substratet som är orienterade i den första slitsens riktning och de fibrer som är orienterade i den andra slitsens rikt- ning; utgångssignalerna från den första och den andra detek- torn summeras under avsökningssteget, så att en kombinerad sensorsignal alstras; den kombinerade sensorsignalen filtre- ras, så att den upplöses i en första spatiell frekvens, som anger flockighetsindex för substratet vid den första spatiella frekvensen; den kombinerade sensorsignalen filtreras så att en andra spatiell frekvens upplöses, vilken frekvens anger flockighetsindex för substratet vid den andra spatiella frek- vensen; storleken av den kombinerade sensorsignalen jämförs med en referensstorlek, och en skillnadssignal beräknas från dessa; ljuskällans ljusstyrka justeras genom att strömstyrkan på den ström som tillförs ljuskällan varieras i enlighet med skillnadssignalen, så att en mängd ljus, som passerar genom substratet, bibehålls vid ett konstant värde; samt substratets ytvikt bestäms utgående från storleken på den ström som till- förs ljuskällan.

Kort beskrivning av figurerna Fig. l är ett blockschema över apparaten enligt den före- liggande uppfinningen, "| 465 _559- ljus transmitteras genom banan. Ljuskällan 10 kan exempelvis innefatta en parabolisk lampa av en typ som är väl känd. Ordet "ljus" används i sin vidaste bemärkelse i denna beskrivning och de bifogade kraven, och fackmannen inser att olika strål- ningskällor, såsom en ljuskälla för enbart infraröd strålning en minsta fiberdiameter på 0,025 mm. Ett kilformigt prisma 17 avlänkar banans 12 bild genom en vinkel, exempelvis 60.

Kilprismat l7 roteras med konstant hastighet, exempelvis 900 rpm medelst en motor (ej visadL 465 539 8 Den optiska strålningsenergin i x- och y-bilderna kommer in i slitsarna 15 och 16 och uppfångas av x- och y-fotodetektorer 18 och 19, där de omvandlas till x- respektive y-koordinat- spänningar. x- och y-koordinatspänningarna summeras via de lika stora resistanserna 20 och 21. Summan x + y integreras med kombi- nationen av motståndet 22 och kondensatorn 23. Bandpass- karaktäristiken för kombinationen av motstånd/kondensator skulle exempelvis kunna vara 0-100 Hz.

Den integrerade summan av x och y, betecknad "e2", inverteras av komparatorn 24. Den inverterade summan jämförs med en referensspänning "el". vilken fungerar som en kalibrerings- och kontrollspänning. Komparatorn 24 förstärker sin ingångs- signal med en konstant "k". Utgångssignalen matas till en effektkontrollanordning 25 för ljuskällan, vilket således fullbordar en negativ återkopplings- och kontrollslinga.

Kontrollanordningen 25 justerar effekten från en kraftkälla 40, vilken levererar energi för att driva ljuskällan 10.

När banans 12 optiska täthet ökar, ökar ljuskällans l0 intensitet i direkt proportion genom verkan från återkopp- lings- och kontrollkretsen. Således upprätthålles systemets känslighet för individuella fibrer och fibergrupper ("flockar").

Rotationen av kilprismat 17 inducerar en vinkelhastighet i den optiska bilden.När bilden förflyttas förbi slitsarna.l5 och 16, alstras elektriska impulser av att fibrer och flockar med olika storlekar passeraru Vid en avsökningsvinkel på 60, och en rotationshastighet på 900 rpm, skulle exempelvis impulserna på grund av fibrer och flockar på upp till tio fibrer, vardera motsvara temporala frekvenser på 10-100 kHz, och spatiella frekvenser på 200 mikrometer och respektive 20 mikrometer.

Bilden av en fiber eller en grupp av fibrer som passerar slitsarna 15, 16, och som är orienterad parallell med slitsar- Fi 4e5_5s9. 9 na, alstrar den maximala förändringen i optisk kontrast, och således den största utgångsspänningen i det ovan nämnda frekvensbandet, Omvänt ger bilden av en fiber eller en grupp av fibrer som passerar slitsarna 15, 16, och som är orientera- de vinkelrätt mot slitsarna, den minsta förändringen i optisk kontrast, och således den minsta utgångsspänningen i det ovan nämnda frekvensbandet. Spänningar från fotodetektorerna 18 och 19, demoduleras efter att ha passerat genom bandpassfiltren 26 och 27, av demodulatorerna 28 och 29, vilket ger x- och y-lik- spänningar som är proportionella mot antalet fibrer som är orienterade i den ena respektive den andra riktningen. De två spänningarna matas till en elektronisk delningskrets 30, och kvoten utmatas på en konventionell utmatningsenhet 31. Denna kan exempelvis utgöras av någon digital display, som är väl känd.

När analyssystemet är korrekt kalibrerat genom justering av referensspänningen el, vilken matats in i komparatorn 24, är för en given typ av bana, exempelvis kraftpapper, strömmen till ljuskällan, och således ljuskällans energi, proportionell mot "ytvikten“. En strömavkännare 32 som är kopplad mellan kontrollanordningen 25 och ljuskällan 10, ger en utgångs- signal som är proportionell mot ljuskällans 10 intensitet.

Denna utgångssignal kan visas på en konventionell display 42, såsom en indikation på banans ytvikt.

Vidare kan vissa komponenter i summan av utgångssignaler från fotodetektorerna 18 och 19 tas bort, exempelvis genom filtren 33 och 34. Dessa komponenter karaktäriseras ibland såsom banans "flockighet". Filtret 33 släpper igenom den temporala frekvensen 2000 Hz, vilket i. detta systenx motsvarar en spatiell frekvens på l mm. Filtret 34 släpper igenom den temporala frekvensen 500 Hz, vilket i detta system motsvarar en spatiell frekvens på 4 mm. Dessa komponenter demoduleras av demodulatorerna 35 och 36, och visas på utmatningsenheterna 37 och 38, såsom flockighetsindex på l mm respektive 4 mm. 465 539 10 I det beskrivna avsökningsorganet förs den optiska bilden eller "nuteras" i en cirkel, och slitsarna 18 och 19 är stationära. För att göra det hela klarare, kan man föreställa sig att de två slitsarna 15 och 16, vilka är vinkelräta mot varandra, nuterar kring en gemensam axel som tränger igenom banan. Begreppet koaxiell nutation illustreras i fig. 2 och 3.

Fig. 2 visar x-komponenten av bilden, och fig. 3 visar y-komponenten. Bilderna som visas i fig. 2 och 3 superponeras under drift av den föreliggande apparaten med hjälp av anord- ningen 14 för 50/50-uppdelning av strålen.

Fig. 4 visar frekvensspektrum för den information som utnyttjas i analyssystemet. "Ytvikten“ sträcker sig från noll till exempelvis 100 Hz. 4 mn1"flockighets"-toppar finns vid exempelvis 500 Hz. l mm “flockighets"-toppar finns exempelvis vid 2000 Hz. "Fiberorientering" inkluderar ett band från 10 kHz till 100 kHz.

Ett andra avsökningsförfarande illustreras i fig. 5. Detta förfarande är att föredra eftersom det avsöker 100% av en skivliknande yta i ett rosettmönster, i jämförelse med det första förfarandet, vilket endast avsöker en cirkels periferi.

I stället för ett enda roterande kilprisma 17, såsom visas i fig. l, används två motroterande kilprismor 46, 47. Prismorna 46, 47 roterar med olika hastigheter och alstrar ett rosett- mönster 50.I de olika orienteringarna som visas i fig.5, är bilden avlänkad antingen uppåt, nedåt eller inte alls genom verkan av de motroterande kilprismorna 46, 47. Resultatet är det visade rosettmönstret 50. Avsökningsanordningens mekaniska konfiguration visas i fig. 6.

De två kilprismorna 46, 47 roteras i motsatta riktningar i något olika hastigheter av en motor 48 och en kuggöverföring 49, vilket alstrar ett fullständigt rosettformigt avsöknings- mönster. Det givna exemplet visar ett prisma som roteras med 15 varv per sekund, och ett andra prisma som roteras med 18 varv_per sekund.En.avsökning skulle därmed fullbordas på tre sekunder (18 minus 15).

Claims (8)

465_ 539- ll PATENTKRAV

1. Förfarande för analys av fiberorienteringskvot, flockighet och ytvikt, i ett fibersubstrat såsom papper, enligt vilket ljus från en ljuskälla riktas genom ett substrat som skall analyseras, k ä n n e t e c k n a t av att det ljus, som passerar genom substratet uppfångas av en första detektor med ett synfält, som är begränsat av en avlàng slits, i en första riktning, och av en andra detektor med ett synfält, som är begränsat av en avlàng slits, i en andra riktning, vinkelrät mot den första riktningen, synfälten för den första och den andra detektorn avsöks i ett repetitivt mönster i såväl den första som den andra rikt- ningen, så att ett område på substratet, som skall analyseras, täckes, utgångssignalerna från den första och den andra detektorn behandlas under avsökningssteget och ger en signal, vilken anger kvoten mellan de fibrer i substratet som är orienterade i den första slitsens riktning och de fibrer som är orienterade i den andra slitsens riktning, utgångssignalerna från den första och den andra detektorn summeras under avsökningssteget, så att en kombinerad sensorsig- nal alstras, den kombinerade sensorsignalen filtreras, så att den upplöses i en första spatiell frekvens, som anger flockig- hetsindex för substratet vid den första spatiella frekvensen, den kombinerade sensorsignalen filtreras så att en andra spatiell frekvens upplöses, vilken frekvens anger flockig- hetsindex för substratet vid den andra spatiella frekvensen, 465 539 12 storleken av den kombinerade sensorsignalen jämförs med en referensstorlek, och en skillnadssignal beräknas frán dessa, ljuskällans ljusstyrka justeras genom att strömstyrkan på den ström som tillförs ljuskällan varieras i enlighet med skillnadssignalen, så att den mängd ljus, som passerar genom substratet, bibehålls vid ett konstant värde, samt substratets ytvikt bestäms utgående från storleken pà den ström som tillförs ljuskällan.

2. Apparat för analys av egenskaper hos ett fibersubstrat, innefattande en ljuskälla (10) för riktande av ljus genom ett substrat (12), som skall analyseras, en första ljusdetektor (18) och en andra ljusdetektor (19) för detektering av det genom substratet passerande ljuset, k ä n n e t e c k n a d av en första slits (15) för begränsning av den första ljus- detektorns (18) synfält för det genom substratet passerande ljuset till en smal remsa i en första riktning (x) en andra slits (16) för begränsning av den andra ljus- detektorns (19) synfält för det genom substratet passerande ljuset till en smal remsa i en andra riktning (y), huvudsakligen vinkelrät mot den första riktningen (x), ett organ (13, 17) för styrande av ljusdetektorernas (18, 19) begränsade synfält över substratet (12) i de första och de andra riktningarna (x, y), ett signalbehandlingsorgan (26-38) innefattande bandpass- filter (26, 27) och demodulatorer (28, 29), kopplade till den första resp. den andra detektorn (18, 19) för genomsläppning och 4e5_ss9 13 demodulering av utgángssignaler från detektorerna med frekvenser inom ett på förhand bestämt intervall, varvid signalerna anger antalet fibrer i substratet, och en delningskrets (30) som ger en kombinerad signal från de filtrerade, demodulerade signaler, som anger kvoten mellan fibrerna i substratet som är orienterade i den första riktningen och de som är orienterade i den andra riktningen, ett processorgan innefattande två resistanser (20, 21) för summering av utgångssignalerna från den första resp. den andra detektorn, filter (33, 34) för filtrering av de summerade utgångssignalerna i. och för upplösning av' första och. andra spatiella frekvenser, och demodulatorer och utmatningsenheter (35-38) för behandling av de första och andra spatiella frekven- serna i och för alstrande av signaler som anger substratets flockighetsstruktur, en komparator (24) för jämförelse av storleken på de summerade utgångssignalerna med en referensstorlek (el) och för beräkning av en skillnadssignal från denna, samt en effektkontrollanordning (25, 40) och en strömavkännare för justering av ljuskällans ljusstyrka.i enlighetzmed skillnads- signalen, till upprätthållande av en konstant nivå på mängden ljus, som passerar genom substratet, varvid en signal alstras som anger substratets ytvikt (vid 42).

3. _ Apparat enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att filtren (33, 34) är utförda att upplösa spatiella frekvenser på ungefär 1 mm resp. på ungefär 4 mm.

4. Apparat enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att organet (13, 17), som styr ljusdetektorernas synfält, innefattar 465 539 14 en strålgàngsuppdelare (14) i och för riktning av det ljus, som faller pá denna mot de första och andra lj usdetektorerna (18, 19), och åtminstone ett roterande kilformigt prisma (17: 47), anordnat mellan substratet och strálgángsuppdelaren (14) .

5. S. Apparat enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att strålgàngsuppdelaren (14) innefattar ytterligare ett motroterande kilprisma (46) i serie med, och roterande med en annan hastighet än det förstnämnda roterande kilprismat (17: 47).

6. Apparat enligt något av kraven 2-5, k ä n n e t e c k n a d av att de begränsade synfälten bildar ett kors.

7. Apparat enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att korset avsöks på ett repetitivt sätt i form av en cirkel.

8. Apparat enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att det repetitiva mönstret i vilket korset avsöks är en rosett. ,