WO2012113747A1 - Papiermaschinen-walze mit faser-bragg-sensoren - Google Patents

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WO2012113747A1
WO2012113747A1 PCT/EP2012/052845 EP2012052845W WO2012113747A1 WO 2012113747 A1 WO2012113747 A1 WO 2012113747A1 EP 2012052845 W EP2012052845 W EP 2012052845W WO 2012113747 A1 WO2012113747 A1 WO 2012113747A1
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WO
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roller
optical waveguide
fiber bragg
bragg grating
roll
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PCT/EP2012/052845
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Antje Berendes
Martin Breineder
Matthias Schmitt
Yang SHIEH
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Voith Patent Gmbh
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    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
    • D21F3/00—Press section of machines for making continuous webs of paper
    • D21F3/02—Wet presses
    • D21F3/06—Means for regulating the pressure
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C13/00—Rolls, drums, discs, or the like; Bearings or mountings therefor
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators
    • G01L5/0076—Force sensors associated with manufacturing machines
    • G01L5/0085—Force sensors adapted for insertion between cooperating machine elements, e.g. for measuring the nip force between rollers

Definitions

  • the invention relates to rolls for machines for industrial papermaking, which have fiber Bragg sensors for detecting a pressure acting on the roller.
  • a suspension is applied to a carrier, such as a carrier.
  • B. applied and dewatered.
  • Dewatering is continued following formation in subsequent sections of the paper machine until finally a self-supporting nonwoven web is produced.
  • the non-self-supporting nonwoven web is usually transferred to other carriers, such as felts or other sieves.
  • the nonwoven web is guided by the support supporting it through a series of nips.
  • nip refers to the region between two cooperating rolls or between a roll and the so-called shoes pressing against them, in which the nonwoven fabric is pressed or pressurized.
  • the pressure profile which forms in the nips when passing through the nonwoven web has a significant influence on the efficiency with which the nonwoven web is dewatered and smoothed. With uneven pressure distribution in the nip, the nonwoven web has an uneven moisture profile or only poor smoothing. Paper manufacturers are therefore anxious to monitor the pressure profiles in the nip areas.
  • the rolls used usually have a roll core which receives the load on.
  • the surfaces of the rolls which come into contact with it must have different properties. Therefore, the rollers in the region of the peripheral surface of the roller, which comes into contact with the nonwoven fabric, are usually provided with a so-called roll cover having the respective desired properties.
  • the roll cover can be constructed in multiple layers. The directly on the roll core adjacent and the connection between the roll core and roll cover producing layer is often referred to as a "base layer".
  • Sensors can be used to monitor the pressure profile in the nip during operation.
  • the sensors are arranged on the outer circumferential surface of the roll core or within the roll cover. Radial forces acting on the roll geometry are typically detected using piezoelectric or electromechanical sensors. Both types of sensors generate an electrical signal that is representative of their deformation under the respective pressure conditions. Since the rotational speed of the rolls is very high in modern paper machines, the sensor signal values are preferably transmitted by radio to external processing devices.
  • sensors and fiber optic sensors can be used in which the optical properties of an optical waveguide (such as a glass fiber) are changed by the transmitted to the optical waveguide deformation stress.
  • Fiber optic sensors for use in roll covers for paper machines which use fiber Bragg gratings inscribed in glass fibers as sensor elements.
  • Fiber Bragg gratings are arranged in optical waveguide optical interference filter, which are written for example by means of a laser in the optical waveguide. Wavelengths that lie within the given filter bandwidth by ⁇ ⁇ are reflected.
  • the present invention relates to a roller for use in paper machines, which allows a determination of a pressure acting on the roller and its course with respect to the roller geometry (for example, in a nip) in a reliable manner and yet inexpensive to produce in a simple manner. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a corresponding roller.
  • a roll for use in papermaking machines comprising a roll core, a roll cover surrounding the roll core, and at least one optical waveguide having a plurality of fiber Bragg gratings.
  • the roll core can for example be made of metal (in particular steel) or plastic (in particular carbon fiber reinforced plastic CFK or a fiber-plastic composite FKV) and be solid or hollow.
  • the roll core can be made either in one piece or in several pieces.
  • the roll cover may for example comprise plastic or be formed therefrom.
  • the at least one optical waveguide can be arranged either between the roll core and roll cover or embedded in the roll cover.
  • the at least one optical waveguide is embedded in the roll cover, it can optionally be embedded in a layer of the roll cover or arranged between two layers of the roll cover.
  • the layer often referred to as the "base layer”, which immediately adjoins the roll core and establishes the connection between roll core and roll cover is understood as a layer of the roll cover, even if it is formed from the same material as the roll core.
  • portions of the at least one optical waveguide, each containing a fiber Bragg grating hereinafter fiber Bragg grating sections
  • fiber Bragg lattice-free sections portions of the at least one optical waveguide which are free of a fiber Bragg grating
  • Fiber Bragg grating sections enclose with a circumferential direction to the roller at an angle of less than 80 ° and in particular less than 60 ° and more particularly less than 45 °.
  • the at least one optical waveguide in the fiber Bragg grating sections is connected non-positively to the adjacent roller core and / or roller cover. The fiber Bragg grating sections and the adjacent roller core and / or roller cover then directly adjoin and contact each other.
  • fiber Bragg grating sections of the Optical waveguide performs a radial compressive load on the roller to a tensile load of the optical waveguide in this section.
  • the cause is considered to be caused by the pressure load temporary and reversible displacement of the roll cover in the circumferential direction.
  • the wavelength range of the radiation reflected by the fiber Bragg grating shifts. The reason is a shift in the distance between refractive index transitions in the optical waveguide. This shift of the wavelength range thus allows conclusions about the pressure load of the roller.
  • Fiber Bragg grating sections with a circumferential direction to the roller enclose an angle greater than 80 °, as long as more than 50% of the sections and in particular more than 70% of the sections and more particularly more than 90% of the sections one Include angle of less than 80 ° and in particular less than 60 ° and more particularly less than 45 °.
  • Fiber Bragg grating sections which enclose an angle of greater than 80 ° with the circumferential direction to the roller enclose an angle of less than 10 ° with the axial direction of the roller and thus extend almost parallel to the axial direction.
  • Such oriented fiber Bragg grating sections are subject to a low (or even in the case of an axial orientation) tensile load under pressure of the roller, so that a determination of the pressure is difficult or impossible.
  • Between the fiber Bragg grating sections lying fiber Bragg grating-free sections can be arbitrary.
  • the optical waveguide can be arranged wave-like or meandering.
  • a roller for use in paper machines comprising a roller core and a roller cover surrounding the roller core, and at least one optical fiber having a plurality of fiber Bragg gratings, the at least one optical fiber extending therebetween between the roller core and the roller cover arranged or embedded in the roll cover longitudinal extent extends on a concentric with the axis of rotation of the roller cylindrical surface.
  • the optical waveguide extends on a concentric with the axis of rotation of the roller cylindrical surface, which is formed either by the interface between the roll core and roll cover or is disposed within the roll cover.
  • fiber Bragg grating sections of the at least one optical waveguide alternate with fiber Bragg grating-free sections of the at least one optical waveguide in the longitudinal direction of the optical waveguide.
  • at least some of the roll core and roll cover or embedded in the roll cover fiber Bragg grid-free sections on the cylindrical surface are curved.
  • the fiber Bragg grating sections can be oriented almost arbitrarily, in particular it is possible in this case to orient the fiber Bragg grating sections, that these include with the circumferential direction to the roller an angle of less than 80 ° and in particular less than 60 ° and more particularly less than 45 °.
  • the distances between the fiber Bragg gratings can be varied over a wide range by the curved course of the fiber Bragg gratings-free sections and thus according to the requirements of the roller, for example.
  • the distance Fiber Bragg grating in the roller and thus the distance between the sensors varies with each other and thus the local resolution can be adjusted.
  • different fiber Bragg grating-free sections of the at least one optical waveguide have a length that is different by a maximum of 30%, preferably a maximum of 10%. It is particularly preferred if the plurality of fiber Bragg grating-free sections of the at least one optical waveguide have the same length.
  • the optical waveguide for almost any roller-regardless of the length and the circumference of the roller- be assembled and the distance between the fiber Bragg gratings in the roll cover from each other, adjusted by the curved course of the fiber Bragg grating-free sections become.
  • a particularly preferred embodiment of the invention which can also be regarded as an independent aspect of the invention, therefore provides that the at least one optical waveguide is curved at least in sections along its longitudinal extent embedded between the roll core and the roll cover or embedded in the roll cover, and the radius of curvature of the curved course of the optical waveguide 2cm or larger, preferably 3cm or larger, more preferably 5cm or larger.
  • At least some, in particular all embedded between roll clamps and roll cover or embedded in the roll cover fiber Bragg grating-free sections of the at least one optical waveguide are each curved in only one direction.
  • this can mean, for example, that one of the two Bragg grating-free sections has a positive curvature and the other of the two Bragg lattice-free sections has a negative curvature or vice versa.
  • successive fiber Bragg grating-free sections of the at least one optical waveguide between which a fiber Bragg grating section of the at least one optical waveguide is arranged are therefore curved in mutually different directions.
  • the at least one optical waveguide can preferably be embedded at least along its length in the roll cover or between the roll core and roll cover, have a core and a sheath surrounding the core or be formed therefrom.
  • the sheath in the region of the fiber Bragg grating sections is preferably either directly with the roller core and the roll cover or directly in contact with the roll cover.
  • the fiber Bragg grating portions of the optical waveguide are directly applied with the force acting on the roll cover without an intermediate element -here referred to as a "stud element.”
  • an intermediate element -here referred to as a "stud element.”
  • the roll is subject to a maximum tensile load between the roll core and roll cover or fiber Bragg grating sections arranged in the roll cover In this case, the fiber Bragg grating sections have the greatest signal sensitivity.
  • the signal sensitivity decreases with decreasing angle which the fiber Bragg gratings have Sections of the optical fiber with the circumferential direction of the roller becomes larger and, as already stated above, when aligned parallel to the axial direction of the roller is zero.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the fiber Bragg grating sections with a circumferential direction to the roller at an angle of less than 30 ° and in particular less than 20 ° and further include less than 10 °.
  • the fiber Bragg grating sections include an angle of greater than 10 ° and in particular greater than 20 ° and more particularly greater than 30 ° with a circumferential direction to the roller.
  • fiber Bragg grating sections are arranged adjacent to the roller in the axial direction.
  • fiber Bragg grating sections can be arranged in an area extending in the axial direction over the entire length of the roller, the extent of which in the circumferential direction is less than 15 cm and in particular less than 5 cm and more particularly less than 1 cm. This allows a determination of the pressure curve in the axial direction of the roller at a certain angle of rotation of the roller.
  • fiber Bragg grating sections are spaced a constant distance in the axial direction of the roller. This allows a uniform determination of the pressure curve in the axial direction of the roller. This constant distance can be measured, for example, from the center of the respective fiber Bragg grating.
  • fiber Bragg grating sections are spaced in the axial direction of the roller in a first region by a first distance and in at least a second region by a second distance, wherein in particular the second distance by at least 30% and in particular by at least 60%, and more particularly at least 90% greater than the first distance.
  • This constant distance can be measured, for example, from the center of the respective fiber Bragg grating.
  • Such an arrangement allows a determination of the pressure curve in the axial direction of the roller, in which the density of the fiber Bragg gratings and thus the obtained pressure measurements in areas of interest in the axial direction of the roller (for example in the vicinity of the roller bearings) greater than in other areas in the axial direction of the roller (for example in the roller center).
  • the second distances in the second regions may be the same (and in particular the same in pairs) or different. A constant change of the distances is possible.
  • the roller has more than one optical waveguide, and adjacent fiber Bragg grating sections of different optical waveguides are arranged in a circumferentially extending over the entire circumference of the roller and thus a total annular area whose extent in the axial direction of the roller less than 10 cm and in particular less than 3 cm and more particularly less than 1 cm.
  • the above condition need not be met by all adjacent sections of different optical fibers. Rather, it is sufficient if this condition is met in pairs by individual fiber Bragg grating sections of different optical fibers.
  • the (immediately) adjacent fiber Bragg gratings of different optical waveguides in this embodiment are arranged along strips which surround the roller in the circumferential direction in a circular manner. This allows a determination of the pressure load at different angles of rotation of the roller.
  • adjacent fiber Bragg grating sections of different optical waveguides which are arranged in the region whose extent in the axial direction of the roller is less than 10 cm and in particular less than 3 cm and more particularly less than 1 cm, in the circumferential direction of the roller 45 ° or more, in particular 90 ° or more offset from one another.
  • fiber Bragg grating sections are arranged adjacent in the circumferential direction of the roller.
  • fiber Bragg grating sections can be arranged in a region extending in the circumferential direction over the entire circumference of the roll, the extent of which in the axial direction of the roll is less than 15 cm and in particular less than 5 cm and more particularly less than 1 cm. This allows a determination of the pressure load of the roller at different angles of rotation of the roller.
  • the roller has more than one optical waveguide, and adjacent fiber Bragg grating sections of different optical waveguides are arranged in an area extending in the axial direction over the entire length of the roller, whose extent in the circumferential direction of the roller is less than 15 cm and in particular less than 5 cm and more particularly less than 1 cm. This allows a determination of the compressive load in the axial direction of the roller at different angles of rotation of the roller.
  • the longitudinal direction of the optical waveguide spaced fiber Bragg gratings of the same optical fiber configured to reflect light of different wavelengths.
  • This allows an assignment of a measurement signal to the respective fiber Bragg grating of the same optical waveguide when the fiber Bragg gratings of the same optical waveguide are simultaneously loaded with tension.
  • a spatial resolution is possible even if the fiber Bragg gratings of the same optical waveguide are arranged in the axial direction of the roller in a narrow, simultaneously subjected to a pressure load area.
  • in the longitudinal direction of the optical waveguide spaced fiber Bragg gratings of the same optical waveguide are formed to reflect light of the same wavelength.
  • Such optical waveguides are particularly easy to manufacture.
  • a spatial resolution is only possible if the fiber Bragg gratings of the same optical waveguide are arranged offset in the circumferential direction of the roller to each other, and thus subject at different times of a pressure load.
  • fiber Bragg grating sections are arranged along a helical curve described on the surface of the roller, wherein a deviation from the helical curve both in the axial direction of the roller and in the circumferential direction of the roller is less than 15 cm and in particular less than 5 cm and more particularly less than 1 cm. This allows a pressure measurement in different axial areas of the roller at different angles of rotation of the roller.
  • one end of the at least one optical waveguide is led out of the roll cover.
  • both ends of the at least one optical waveguide are led out of the roll cover.
  • a light source and a light detector are arranged in the roller, which are connected to the at least one optical waveguide and configured to perform measurements with respect to the fiber Bragg gratings of the at least one optical waveguide.
  • the light detector may be connected to a transmitter to deliver acquired measurement data via an air interface to the outside of the roller.
  • a coil may be arranged in which from outside the roll by induction Current flow can be stimulated to supply the components contained in the roller with energy.
  • the roll cover has a plurality of layers, and the at least one optical waveguide is arranged between two layers of the roll cover.
  • the roll cover has a plurality of layers, and the at least one optical waveguide is embedded in and surrounded by one of the plurality of layers. This allows a simple and secure attachment of the at least one optical waveguide. Furthermore, the optical waveguide is thus well protected against damage.
  • the at least one optical waveguide is embedded in epoxy resin.
  • Epoxy resin allows a good switching of acting on the roller pressure forces on the at least one optical waveguide.
  • roller at an angle of less than 45 ° and in particular less than 20 ° and more particularly less than 10 ° and
  • a step of attaching a mark to the roller core or roller cover layer is made, which mark identifies the points or areas where a pressure measurement is to be made.
  • This marking can also take place, for example, in the form of a groove into which the optical waveguide is to be inserted. This makes it possible to increase the accuracy of the arrangement of the fiber Bragg grating sections.
  • a step of fixing the fiber Bragg grating-free sections to the roll core or the roll cover layer takes place prior to the step of applying at least one reference layer. In this way, it is ensured that the at least one optical waveguide bears against the entire surface of the roll core or the roll cover layer. If a releasable attachment for fixing the fiber Bragg grating sections to the roll core or roll cover layer is used, additionally detaching this releasable attachment and replacement by permanent attachment may be provided.
  • Figure 1 shows schematically a perspective view of a roller according to a first embodiment in which a part of the cover is removed and exposed optical fibers with fiber Bragg gratings;
  • FIG. 1 a shows a schematic enlarged view of the roll cover of the illustration of FIG. 1;
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of a roller according to a second embodiment, wherein a part of the cover is removed and optical fibers are exposed with fiber Bragg gratings;
  • FIG. 3 shows schematically a perspective view of a roller according to a third embodiment, in which a part of the cover is removed and optical fibers are exposed with fiber Bragg gratings;
  • Figure 4 shows schematically a perspective view of a roller according to a fourth embodiment, in which a part of the cover is removed and exposed optical fibers with fiber Bragg gratings;
  • Figure 5 schematically shows a perspective view of a roller according to a fifth embodiment, in which a part of the cover is removed and exposed optical fibers with fiber Bragg gratings.
  • FIG. 1 schematically shows a perspective view of a roll 1 according to a first embodiment.
  • the roller 1 has an axis of rotation 44 providing roll core 1 1 and a roll cover 12 surrounding this.
  • the roller core 1 1 made of steel and the roller cover 12 made of plastic.
  • between the roll cover 12 and the roll core 1 1 a known to those skilled in the "base layer" connecting layer is provided, which is not shown in the figure specifically.
  • a Section Schlierent the roll cover 12 is exposed in the figure 1 and gives the view of an optical waveguide 21 with multiple fiber Bragg gratings 22 free.
  • the individual fiber Bragg gratings 22 of the optical waveguide 21 are designed to reflect light of different wavelengths.
  • the optical waveguide 21 has fiber Bragg grating sections 22 as well as fiber Bragg gratings-free sections 43 ' , 43 " , wherein the fiber Bragg gratings Sections 22 and the fiber Bragg grating-free sections 43 ', 43 " in the longitudinal direction of the optical waveguide 21 alternate.
  • the optical waveguide 21 is arranged meander-shaped in the roll cover 1 1, and extends in the axial direction of the roller over the entire width of the roll cover 12 sections of the optical waveguide 21, each containing a fiber Bragg grating 22 (hereinafter fiber Bragg grating Sections 22) are arranged so that these sections each enclose an angle of approximately 0 ° with a circumferential direction to the roller 1.
  • fiber Bragg grating Sections 22 hereinafter fiber Bragg grating Sections 22
  • approximately 0 ° means that deviations from 0 ° can be tolerated by a maximum of 15 ° and preferably a maximum of 10 °.
  • the fiber Bragg grating sections 22 arranged adjacent in the axial direction may have a maximum offset of 1 cm in the circumferential direction.
  • the distance between the fiber Bragg grating sections 22 adjacent in the axial direction of the roller is chosen to be constant.
  • a pressure load on the roller cover 12 leads to a (slight) elongation of the optical waveguide 21 with the fiber Bragg gratings and thus to a change in the wavelength of the fiber Bragg grating. Lattices reflected light. In this way, it is possible to measure a pressure load on the roller along a line extending in the axial direction of the roller 1 line.
  • FIG. 1 a shows a schematic enlarged view of the roll cover 12 of the illustration of FIG. 1.
  • the roll cover 12 has an inner cylindrical circumferential surface 12i in the radial direction of the roll 1 and a cylindrical outer surface 12a which is outer in the radial direction of the roll 1, the latter providing the upper side of the roll cover which can be brought into contact with a material web or covering.
  • the two cylindrical lateral surfaces 12i and 12a are arranged concentrically to the axis of rotation 44.
  • the roller cover 12 there is a cylindrical surface 12k concentric with the axis of rotation 44, on which the at least one optical waveguide 21 is arranged and on which the fiber Bragg grating-free sections 43 ' , 43 "of the optical waveguide 21 extend in a curved manner
  • 12k may be formed by the radially outer surface area of a radially inner roll reference layer 12 ' on which the optical waveguide 21 is arranged and which in turn is covered by a radially outer roll reference layer 12 " , so that as a result the at least one optical waveguide 21 enters the Roll cover 12 is embedded.
  • each fiber Bragg grating-free section 43 ' , 43 " is curved in only a single direction of curvature and that successive fiber Bragg grating-free sections 43 ' , 43 " , between which a fiber Bragg grid portion 22 is arranged, are curved in mutually different directions of curvature.
  • the section 43 ' is curved in the opposite direction as the section 43 " .
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a roll 1 'in a schematic perspective view. Since this embodiment is very similar to the first embodiment described above, only differences will be discussed and otherwise referred to the first embodiment.
  • the second embodiment shown in FIG. 2 differs from the first embodiment described above in particular in that a second optical waveguide 21 'with fiber Bragg grating sections 22' is provided, which extends in the circumferential direction to the first optical waveguide 21 with the fiber optic cable. Bragg grating sections 22 is arranged offset. This second optical waveguide 21 'is accessible from outside via a connection 23'.
  • the second ends of the optical waveguides 21, 21 ' are not led to the outside.
  • the fiber Bragg grating sections 22 'of the second optical waveguide 21' are arranged in the circumferential direction of the roller offset below the fiber Bragg grating sections 22 of the first optical waveguide 21, that arranged in the circumferential direction of the calf circumference adjacent arranged fiber Bragg gratings -Abperforminge 22, 22 'in the axial direction of the roller 1' are offset by less than 3 cm.
  • adjacent fiber Bragg grating sections 22, 22 ' lie on a narrow ring surrounding the roller in the circumferential direction.
  • the fiber Bragg grating sections 22, 22 'of each optical waveguide 21, 21' are as described in the first embodiment arranged.
  • Such an arrangement of the optical waveguides 21, 21 'and fiber Bragg grating sections 22, 22' allows measuring a pressure distribution in the axial direction of the roller at different angles of rotation of the roller.
  • FIG. 3 A perspective view of a roller 1 "according to a third embodiment is shown schematically in Figure 3. Since this embodiment is very similar to the first and second embodiments described above, only differences will be discussed and otherwise referred to the first and second embodiments.
  • the third embodiment shown in FIG. 3 differs from the first and second embodiments described above in that, instead of a roll core 1 1 made of solid material, a roll core 1 1 'made of carbon fiber reinforced plastic CFRP is used.
  • a measuring device comprising a light source and a light detector for emitting light into the optical waveguide 21 "and detecting the light reflected from fiber Bragg gratings of the optical waveguide 21", a microprocessor for obtaining a measurement result from the values output by the light detector and a transmitter for outputting a measurement result via an air interface to the outside.
  • the energy required is supplied to the measuring device during rotation of the roller 1 "by inductive means.
  • the third embodiment differs from the first embodiment in the arrangement of the fiber Bragg grating sections 22 ".
  • the arrangement of the fiber Bragg grating sections 22 'in this embodiment is such that the density of the fiber -Bragg grid sections at the ends of the roll 1 "and thus higher in the region of the bearing, as in the center of the roll 1" .This allows the measurement of compressive forces on the roll in particularly interesting areas.
  • a second optical waveguide with fiber Bragg gratings is provided, which is arranged with respect to the first optical waveguide 21 and its fiber Bragg grating sections 22" as described in the second embodiment ,
  • a fourth embodiment of a roll 1 "' is shown schematically in perspective view in Figure 4. Since this embodiment is very similar to the first one with the third embodiment described above, only differences will be discussed and otherwise referred to the previous embodiments.
  • the optical waveguides 21, 21 ' are arranged with the fiber Bragg grating sections 22, 22' such that the individual optical waveguides 21, 21 'are sandwiched between two layers of the roller cover 12 (the individual layers are not specifically shown).
  • adjacent fiber Bragg grating sections 22 of the same optical waveguide 21 are arranged adjacent to one another in the circumferential direction of the roller along an extension of the optical waveguide 21, a distance 5 between two adjacent fiber optic waveguides 21 being arranged adjacent to each other.
  • the fiber Bragg grating sections 22, 22 'of each of the same optical waveguides 21, 21' lie in a circumferential direction relative to the axial direction of the roller 1 "' the entire roller circumference extending portion 6, whose extension in the axial direction of the roller 1 5 cm.
  • Axially adjacent fiber Bragg grating sections 22, 22 'of different optical waveguides 21, 21' in the present embodiment are spaced a constant distance and arranged so that their placement in the circumferential direction of the roller is offset by less than 1 cm ,
  • the fiber Bragg gratings of the same optical waveguide 21, 21 ' are each designed to reflect light of the same wavelength. With knowledge of the angular position of the roller 1 "'allows such an arrangement of the optical waveguides 21, 21' and fiber Bragg gratings detecting the Pressure distribution in the axial direction of the roll 1 "'at different rotation angles of the roll
  • the roll core 1 1' in the fourth embodiment is hollow and receives a measuring device which is connected to the optical waveguides 21, 21 '.
  • FIG. 5 schematically shows a perspective view of a roll 1 "" according to a fifth embodiment. Also in this embodiment, a part of a massive roll core 1 1 made of fiber-plastic composite FKV surrounding roll cover 12 is exposed and gives the view of several, embedded in a "base layer" of epoxy resin optical waveguides 21, 21 'with fiber Bragg Grid sections 22, 22 'free.
  • both ends 23, 23 ', 24' of the optical waveguides 21, 21 ' are each guided to the outside.
  • the fiber Bragg grating sections 22, 22 'of the individual optical waveguides 21, 21' are each arranged according to this embodiment along a helical curve which completely and partially sweeps over the roller in the axial direction and in the circumferential direction.
  • the arrangement of the fiber Bragg grating adjacent optical waveguides 21, 21 'so that in the circumferential direction adjacent fiber Bragg gratings have no or only a small offset in the axial direction of the roller.
  • the fiber Bragg grating sections each enclose an angle of approximately 0 ° with the circumferential direction of the roller, the present invention is not limited thereto. Rather, it is sufficient if the angle is less than 80 °, in particular less than 60 ° and more particularly less than 40 °.
  • the provision of a certain angle of in particular greater than 10 ° and in particular greater than 20 ° and more particularly greater than 30 ° may even be necessary at very high pressures and / or the embedding of the at least one optical waveguide in a relatively soft roll cover to excessive To avoid tensile load of at least one optical waveguide.
  • the fiber Bragg grating portions of the circumferential direction of the roll may include the following angular ranges:
  • a roll core is provided.
  • This may for example consist of metal or plastic, and be solid or hollow.
  • This may comprise a roll cover layer such as a "base layer”.
  • At least one optical waveguide with a plurality of fiber Bragg gratings is provided, wherein sections of the at least one optical waveguide, which each contain a fiber Bragg grating, with sections of the at least one optical waveguide which are free of a fiber Bragg grating, alternate in the longitudinal direction of the optical waveguide.
  • a marking is applied to the roll core or the roll reference layer, which identifies areas where a pressure measurement is to take place.
  • This marking can be applied for example by color or in the form of a groove in the roll core or roll cover can be introduced, which allows the inclusion of at least one optical waveguide.
  • the step of applying a mark is only optional.
  • sections of the at least one optical waveguide which sections each include a fiber Bragg grating, so that the sections with a circumferential direction to the roller at an angle of less than 80 ° and in particular less than 60 ° and further include less than 45 °.
  • the fixation can, for example, releasably by means of a Adhesive tape done, making corrections are easily possible.
  • sections of the at least one optical waveguide which sections each contain a fiber Bragg grating
  • they can also be permanently connected to the roller or the roller reference layer.
  • the step of removing the detachable connection can then be omitted.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walze (1) zur Verwendung in Papiermaschinen, aufweisend einen Walzenkern (11), einen den Walzenkern (11) umgebenden Walzenbezug (12) und wenigstens einen Lichtwellenleiter (21) mit mehreren Faser-Bragg-Gittern (22). Der wenigstens eine Lichtwellenleiter (21) ist entweder zwischen Walzenkern (11) und Walzenbezug (12) angeordnet oder in den Walzenbezug (12) eingebettet. Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21), welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, wechseln sich mit Abschnitten des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21), welche frei von einem Faser-Bragg-Gitter (22) sind, in Längsrichtung des Lichtwellenleiters ab. Weiter schließen Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21), welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, mit einer Umfangsrichtung zur Walze (1) einen Winkel von kleiner 80° und insbesondere kleiner 60° und weiter insbesondere kleiner 45° ein.

Description

PAPIERMASCHINEN-WALZE MIT FASER-BRAGG-SENSOREN
Die Erfindung betrifft Walzen für Maschinen zur industriellen Papierherstellung, welche Faser-Bragg-Sensoren zur Erfassung eines auf die Walze wirkenden Druckes aufweisen. Zur Formierung einer Faservliesbahn wird in der industriellen Papierherstellung zunächst eine Suspension auf einen Träger wie z. B. ein Sieb aufgebracht und entwässert. Die Entwässerung wird im Anschluss an die Formierung in nachfolgenden Sektionen der Papiermaschine fortgeführt, bis schließlich eine selbsttragende Faservliesbahn produziert wird. Während des Entwässerungsprozesses wird die noch nicht selbsttragende Faservliesbahn in der Regel an andere Träger, beispielweise Filze oder andere Siebe übergeben. Sowohl in der Formier- wie auch in der Nasspartie einer Papiermaschine wird die Faservliesbahn mit dem sie jeweils stützenden Träger durch eine Reihe von Nips geführt. Mit dem Begriff Nip wird der Bereich zwischen zwei zusammenwirkenden Walzen bzw. zwischen einer Walze und den gegen sie drückenden sogenannten Schuhen bezeichnet, in dem das Faservlies gepresst bzw. unter Druck gesetzt wird. Das sich beim Durchlaufen der Faservliesbahn in den Nips ausbildende Druckprofil hat einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz mit der die Faservliesbahn entwässert und geglättet wird. Bei ungleichmäßiger Druckverteilung im Nip weist die Faservliesbahn ein ungleichmäßiges Feuchteprofil bzw. nur schlechte Glättung auf. Papierhersteller sind daher darauf bedacht, die Druckprofile in den Nipbereichen zu überwachen.
Die verwendeten Walzen weisen üblicherweise einen Walzenkern, welcher die Belastung aufnimmt, auf. Je nachdem in welcher Phase des Produktionsprozesses das Faservlies bearbeitet wird, müssen die mit diesem in Kontakt tretenden Oberflächen der Walzen verschiedene Eigenschaften aufweisen. Daher sind die Walzen in dem Bereich der Umfangsfläche der Walze, der mit dem Faservlies in Kontakt kommt, in der Regel mit einem sogenannten Walzenbezug versehen, der die jeweils gewünschten Eigenschaften aufweist. Dabei kann der Walzenbezug mehrschichtig aufgebaut sein. Die unmittelbar an den Walzenkern angrenzende und die Verbindung zwischen Walzenkern und Walzenbezug herstellende Schicht wird häufig als "base layer" bezeichnet.
Zur Überwachung des Druckprofils im Nip während des laufenden Betriebs können Sensoren eingesetzt werden. Üblicherweise sind die Sensoren auf der äußeren Mantelfläche des Walzenkerns oder innerhalb des Walzenbezugs angeordnet. Radial in Bezug auf die Walzengeometrie wirkende Kräfte werden in der Regel unter Verwendung piezoelektrischer oder elektromechanischer Sensoren erfasst. Beide Sensorenarten erzeugen ein elektrisches Signal, das für ihre Deformation unter den jeweiligen Druckverhältnissen repräsentativ ist. Da die Drehgeschwindigkeit der Walzen bei modernen Papiermaschinen sehr hoch ist, werden die Sensorsignalwerte vorzugsweise über Funk an externe Verarbeitungseinrichtungen übertragen. Statt mit elektrischen Mitteln arbeitenden Sensoren können auch faseroptische Sensoren verwendet werden, bei denen die optischen Eigenschaften eines Lichtwellenleiters (wie beispielsweise einer Glasfaser) durch die auf den Lichtwellenleiter übertragene Verformungsspannung verändert werden. In der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2008/08050 werden faseroptische Sensoren zur Verwendung in Walzenbezügen für Papiermaschinen beschrieben, die in Glasfasern eingeschriebene Faser-Bragg-Gitter als Sensorelemente verwenden. Faser-Bragg-Gitter sind in Lichtwellenleiter angeordnete optische Interferenzfilter, die beispielsweise mittels eines Lasers in den Lichtwellenleiter eingeschrieben werden. Wellenlängen, die innerhalb der vorgegebenen Filterbandbreite um λΒ liegen, werden reflektiert. Auf die Offenbarung der WO 2010/034321 A1 im Hinblick auf die Funktionsweise von Faser-Bragg-Gittern wird vollumfänglich Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walze zur Verwendung in Papiermaschinen, welche eine Bestimmung eines auf die Walze wirkenden Drucks und dessen Verlauf im Bezug auf die Walzengeometrie (beispielsweise in einem Nip) auf zuverlässige Weise erlaubt und gleichwohl auf einfache Weise kostengünstig herstellbar ist. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Walze.
Die vorstehende Aufgabe wird gemäß Ausführungsformen durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Walze zur Verwendung in Papiermaschinen vorgeschlagen, die einen Walzenkern, einen den Walzenkern umgebenden Walzenbezug und wenigstens einen Lichtwellenleiter mit mehreren Faser-Bragg-Gittern aufweist. Der Walzenkern kann beispielsweise aus Metall (insbesondere Stahl) oder Kunststoff (insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff CFK oder einem Faser- Kunststoff-Verbund FKV) gebildet und massiv oder hohl sein. Weiter kann der Walzenkern wahlweise einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein. Der Walzenbezug kann beispielsweise Kunststoff umfassen oder daraus gebildet sein. Der wenigstens eine Lichtwellenleiter kann entweder zwischen Walzenkern und Walzenbezug angeordnet oder in den Walzenbezug eingebettet sein. Ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter in den Walzenbezug eingebettet, so kann er wahlweise in eine Schicht des Walzenbezugs eingebettet oder zwischen zwei Schichten des Walzenbezugs angeordnet sein. In diesem Dokument wird die häufig als "base layer" bezeichnete Schicht, welche unmittelbar an den Walzenkern angrenzt und die Verbindung zwischen Walzenkern und Walzenbezug herstellt, als Schicht des Walzenbezugs verstanden, selbst wenn sie aus dem gleichen Material wie der Walzenkern gebildet ist. In Längsrichtung des Lichtwellenleiters wechseln sich Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter enthalten (im Folgenden Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte), mit Abschnitten des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche frei von einem Faser-Bragg-Gitter sind (im Folgenden Faser-Bragg-Gitter-freie-Abschnitte), ab. Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte schließen mit einer Umfangsrichtung zur Walze einen Winkel von kleiner 80° und insbesondere kleiner 60° und weiter insbesondere kleiner 45° ein. Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter in den Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten kraftschlüssig mit dem benachbarten Walzenkern und/oder Walzenbezug verbunden. Die Faser-Bragg-Gitter- Abschnitte und der benachbarte Walzenkern und/oder Walzenbezug grenzen dann unmittelbar aneinander an und berühren sich.
Bei einer derartigen Orientierung Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte des Lichtwellenleiters führt eine radiale Druckbelastung auf die Walze zu einer Zugbelastung des Lichtwellenleiters in diesem Abschnitt. Als Ursächlich wird eine durch die Druckbelastung hervorgerufene temporäre und reversible Verdrängung des Walzenbezugs in Umfangsrichtung angesehen. In Abhängigkeit von dieser Zugbelastung verschiebt sich der Wellenlängenbereich der vom Faser-Bragg-Gitter reflektierten Strahlung. Grund ist eine Verschiebung des Abstandes zwischen Brechungsindexübergängen im Lichtwellenleiter. Diese Verschiebung des Wellenlängenbereichs erlaubt somit Rückschlüsse auf die Druckbelastung der Walze.
Dabei ist unschädlich, wenn einzelne Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte mit einer Umfangsrichtung zur Walze einen Winkel größer 80° einschließen, solange mehr als 50% der Abschnitte und insbesondere mehr als 70% der Abschnitte und weiter insbesondere mehr als 90% der Abschnitte einen Winkel von kleiner 80° und insbesondere kleiner 60° und weiter insbesondere kleiner 45° einschließen. Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte die mit der Umfangsrichtung zur Walze einen Winkel von größer 80° einschließen, schließen mit der axialen Richtung der Walze einen Winkel kleiner 10° ein und verlaufen damit nahezu parallel zur axialen Richtung. Derart orientierte Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte unterliegen bei Druckbelastung der Walze nur einer geringen (oder im fall einer axialen Orientierung gar keiner) Zugbelastung, so dass eine Bestimmung des Druckes schwierig oder unmöglich wird. Zwischen den Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten liegende Faser-Bragg-Gitter-freie-Abschnitten können beliebig verlaufen. Insgesamt kann der Lichtwellenleiter wellen- oder mäanderförmig angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung wird eine Walze zur Verwendung in Papiermaschinen vorgeschlagen, aufweisend einen Walzenkern und einen den Walzenkern umgebenden Walzenbezug sowie wenigstens einen Lichtwellenleiter mit mehreren Faser-Bragg-Gittern, wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter entlang seiner zwischen dem Walzenkern und dem Walzenbezug angeordneten oder in den Walzenbezug eingebetten Längserstreckung auf einer zur Drehachse der Walze konzentrischen Zylinderfläche verläuft. Mit anderen Worten verläuft der Lichtwellenleiter auf einer zur Drehachse der Walze konzentrischen Zylinderfläche, die entweder durch die Grenzfläche zwischen Walzenkern und Walzenbezug gebildet ist oder innerhalb des Walzenbezugs angeordnet ist. Ferner wechseln sich Faser-Bragg- Gitter-Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters mit Faser-Bragg-Gitter- freien-Abschnitten des wenigstens einen Lichtwellenleiters in Längsrichtung des Lichtwellenleiters ab. Bei der erfindungsgemäßen Walze nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass zumindest einige der zwischen Walzenkern und Walzenbezug angeordneten oder in den Walzenbezug eingebetteten Faser-Bragg-Gitter-freien-Abschnitte auf der Zylinderfläche gekrümmt verlaufen. Durch den gekrümmten Verlauf der Faser-Bragg-Gitter-freien Abschnitte in einer einzigen radialen Höhe können die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte nahezu beliebig orientiert werden, insbesondere ist es hierbei möglich, die Faser-Bragg- Gitter-Abschnitte so zu orientieren, dass diese mit der Umfangsrichtung zur Walze einen Winkel von kleiner 80° und insbesondere kleiner 60° und weiter insbesondere kleiner 45° einschließen.
Ferner können durch den gekrümmten Verlauf der Faser-Bragg-Gitter-freien Abschnitte die Abstände der Faser-Bragg-Gitter zueinander in einem großen Bereich variiert werden und somit entsprechend den Anforderungen an die Walze, bspw. in axialer Richtung der Walze, der Abstand der Faser-Bragg-Gitter in der Walze und damit der Abstand der Sensoren zueinander variiert und damit die örtliche Auflösung eingestellt werden.
Ferner ist es denkbar, dass verschiedene Faser-Bragg-Gitter-freie-Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters eine sich um maximal 30%, bevorzugt maximal 10% zueinander unterschiedliche Länge haben. Besonders bevorzugt ist es, wenn die mehreren Faser-Bragg-Gitter-freien-Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters die gleiche Länge haben. Hierdurch kann der Lichtwellenleiter für nahezu jede Walze -unabhängig von der Länge und dem Umfang der Walze- konfektioniert werden und der Abstand den die Faser-Bragg- Gitter im Walzenbezug voneinander haben, durch den gekrümmten Verlauf der Faser-Bragg-Gitter-freien Abschnitte eingestellt werden. Um beim gekrümmten Verlauf des zumindest einen Lichtwellenleiters eine zu hohe Dämpfung des Lichts zu vermeiden, ist es sinnvoll, wenn der Lichtwellenleiter nicht zu stark gekrümmt verläuft. Dies ist insbesondere sinnvoll, da in dem beengten Bauraum einer Walze, bspw. für eine Papier-, Karton- oder Tissuemaschine, nur relativ lichtschwache Lichtquellen verwendet werden können, die keine hohe Wärmeentwicklung haben und daher auch keine aufwändigen und platzbeanspruchenden Kühleinrichtungen benötigen. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung -die auch als unabhängiger Aspekt der Erfindung betrachtet werden kann- sieht daher vor, dass der wenigstens eine Lichtwellenleiter entlang seiner zwischen dem Walzenkern und dem Walzenbezug angeordneten oder in den Walzenbezug eingebetten Längserstreckung zumindest abschnittweise gekrümmt verläuft und der Krümmungsradius des gekrümmten Verlaufs des Lichtwellenleiters 2cm oder größer, bevorzugt 3cm oder größer, besonders bevorzugt 5cm oder größer ist.
Vorzugsweise sind zumindest einige, insbesondere alle zwischen Waltenklern und Walzenbezug angeordneten oder im Walzenbezug eingebetteten Faser- Bragg-Gitter-freien-Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters jeweils in nur einer Richtung gekrümmt. Dies kann bspw. bei zwei Faser-Bragg-Gitter- freien-Abschnitten zwischen denen ein Faser-Bragg-Gitter-Abschnitt angeordnet ist bedeuten, dass der eine der beiden Bragg-Gitter-freien-Abschnitte eine positive Krümmung hat und der andere der beiden Bragg-Gitter-freien-Abschnitte eine negative Krümmung hat oder umgekehrt. Vorzugsweise sind demnach aufeinander folgende Faser-Bragg-Gitter-freie- Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters zwischen denen ein Faser- Bragg-Gitter-Abschnitt des wenigstens einen Lichtwellenleiters angeordnet ist, in zueinander unterschiedlichen Richtungen gekrümmt. Der wenigstens eine Lichtwellenleiter kann vorzugsweise zumindest auf der Länge entlang dieser in den Walzenbezug oder zwischen Walzenkern und Walzenbezug eingebettet ist, einen Kern und einen den Kern umgebenden Mantel haben oder daraus gebildet sein. Vorzugsweise ist hierbei der Mantel im Bereich der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte entweder direkt mit dem Walzenkern und dem Walzenbezug oder direkt mit dem Walzenbezug in Kontakt. Nach dieser Ausführungsform werden also die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte des Lichtwellenleiters, änderst als in der W0210/034321 offenbart, ohne ein Zwischenelement -dort als„Stud element" bezeichnet- direkt mit der Kraftwirkung auf den Walzenbezug beaufschlagt. Überraschenderweise haben Versuche der Anmelderin ergeben, dass zur Erzielung einer ausreichenden Signalempfindlichkeit die Verwendung der in der WO2010/034321 beschriebenen Zwischenlemente nicht unerlässlich sind. Zwischen Walzenkern und Walzenbezug oder im Walzenbezug angeordnete Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte unterliegen bei einer Druckbelastung der Walze dann einer maximalen Zugbelastung, wenn die Abschnitte mit der Umfangsrichtung zur Walze einen Winkel von 0° einschließen. In diesem Fall weisen die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte die größte Signalempfindlichkeit auf. Generell ist festzuhalten, dass die Signalempfindlichkeit mit kleiner werdendem Winkel, den die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte des Lichtwellenleiters mit der Umfangsrichtung der Walze einschließen größer wird und wie bereits oben dargelegt, bei paralleler Ausrichtung zur axialen Richtung der Walze null ist.
Um eine hohe Signalempfindlichkeit zu erzielen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte mit einer Umfangsrichtung zur Walze einen Winkel von kleiner 30° und insbesondere kleiner 20° und weiter insbesondere kleiner 10° einschließen.
In Abhängigkeit von der Anordnung des Lichtwellenleiters auf dem Walzenkern oder im Walzenbezug, von der für den Walzenkern und den Walzenbezug verwendeten Materialen, von dem Durchmesser der Walze und von den auftretenden Drücken besteht bspw. bei weichen Walzenbezügen die Gefahr, dass die Zugbelastung auf den Lichtwellenleiter zu groß wird und so einer irreversiblen Schädigung des Lichtwellenleiters führt. Für manche Anwendungen kann es daher sinnvoll sein, wenn die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte mit einer Umfangsrichtung zur Walze einen Winkel von größer 10° und insbesondere größer 20° und weiter insbesondere größer 30° einschließen. Bei einer derartigen Neigung tritt einerseits bei Druckbelastung der Walze eine regelmäßig ausreichende Zugbelastung des Lichtwellenleiters auf, und wird gleichzeitig eine irreversible Schädigung des Lichtwellenleiters in Folge übermäßiger Zugbelastung verhindert. Gemäß einer Ausführungsform sind Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte in axialer Richtung der Walze benachbart angeordnet. Dabei können Faser-Bragg-Gitter- Abschnitte in einem sich über die ganze Walzenlänge in axialer Richtung erstreckenden Bereich angeordnet sein, dessen Erstreckung in Umfangsrichtung weniger als 15 cm und insbesondere weniger als 5 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt. Dies erlaubt eine Bestimmung des Druckverlaufs in axialer Richtung der Walze bei einem bestimmten Drehwinkel der Walze. Gemäß einer Ausführungsform sind Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte in axialer Richtung der Walze um einen konstanten Abstand beabstandet. Dies erlaubt eine gleichmäßige Bestimmung des Druckverlaufs in axialer Richtung der Walze. Dieser konstante Abstand kann beispielsweise von der Mitte des jeweiligen Faser-Bragg-Gitters gemessen werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte in axialer Richtung der Walze in einem ersten Bereich um einen ersten Abstand und in wenigstens einem zweiten Bereich um einen zweiten Abstand beabstandet, wobei insbesondere der zweite Abstand um wenigstens 30% und insbesondere um wenigstens 60% und weiter insbesondere um wenigstens 90% größer als der erste Abstand ist. Dieser konstante Abstand kann beispielsweise von der Mitte des jeweiligen Faser-Bragg-Gitters gemessen werden. Eine derartige Anordnung erlaubt eine Bestimmung des Druckverlaufs in axialer Richtung der Walze, bei der die Dichte der Faser-Bragg-Gitter und damit der gewonnenen Druckmesswerte in interessierenden Bereichen in axialer Richtung der Walze (beispielsweise in der Nähe der Walzenlager) größer als in anderen Bereichen in axialer Richtung der Walze (beispielsweise in der Walzenmitte) ist. Sind mehrere zweite Bereiche vorgesehen, so können die zweiten Abstände in den zweiten Bereichen gleich (und insbesondere paarweise gleich) oder verschieden sein. Auch eine stetige Änderung der Abstände ist möglich.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Walze mehr als einen Lichtwellenleiter auf, und sind benachbarte Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte unterschiedlicher Lichtwellenleiter in einem sich in Umfangsrichtung über den ganzen Walzenumfang erstreckenden und damit insgesamt ringförmigen Bereich angeordnet, dessen Erstreckung in axialer Richtung der Walze weniger als 10 cm und insbesondere weniger als 3 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt. Die vorstehende Bedingung muss nicht von allen benachbarten Abschnitten unterschiedlicher Lichtwellenleiter erfüllt werden. Vielmehr ist es ausreichend, wenn diese Bedingung paarweise von einzelnen Faser-Bragg- Gitter-Abschnitten unterschiedlicher Lichtwellenleiter erfüllt wird. Damit sind die (unmittelbar) benachbarten Faser-Bragg-Gitter unterschiedlicher Lichtwellenleiter in dieser Ausführungsform entlang von Streifen angeordnet, welche die Walze in Umfangsrichtung kreisförmig umgeben. Dies erlaubt eine Bestimmung der Druckbelastung bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Walze.
Vorzugsweise sind in diesem Zusammenhang zueinander benachbarte Faser- Bragg-Gitter-Abschnitte unterschiedlicher Lichtwellenleiter, welche in dem Bereich angeordnet sind, dessen Erstreckung in axialer Richtung der Walze weniger als 10 cm und insbesondere weniger als 3 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt, in Umfangsrichtung der Walze 45° oder mehr, insbesondere 90° oder mehr zueinander versetzt angeordnet.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte in Umfangsrichtung der Walze benachbart angeordnet. Dabei können Faser- Bragg-Gitter-Abschnitte in einem sich in Umfangsrichtung über den ganzen Walzenumfang erstreckenden Bereich angeordnet sein, dessen Erstreckung in axialer Richtung der Walze weniger als 15 cm und insbesondere weniger als 5 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt. Dies erlaubt eine Bestimmung der Druckbelastung der Walze bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Walze.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Walze mehr als einen Lichtwellenleiter auf, und sind benachbarte Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte unterschiedlicher Lichtwellenleiter in einem sich über die ganze Walzenlänge in axialer Richtung erstreckenden Bereich angeordnet, dessen Erstreckung in Umfangsrichtung der Walze weniger als 15 cm und insbesondere weniger als 5 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt. Dies erlaubt eine Bestimmung der Druckbelastung in axialer Richtung der Walze bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Walze.
Gemäß einer Ausführungsform sind in Längsrichtung des Lichtwellenleiters beabstandete Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters ausgebildet, Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu reflektieren. Dies erlaubt eine Zuordnung eines Messsignals zum jeweiligen Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters, wenn die Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters gleichzeitig mit Zug belastet werden. Somit ist auch dann eine Ortsauflösung möglich, wenn die Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters in axialer Richtung der Walze in einem schmalen, gleichzeitig einer Druckbelastung unterliegendem Bereich angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform sind in Längsrichtung des Lichtwellenleiters beabstandete Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters ausgebildet, Licht derselben Wellenlänge zu reflektieren. Derartige Lichtwellenleiter sind besonderes einfach herzustellen. Eine Ortsauflösung ist dann jedoch nur möglich, wenn die Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters in Umfangsrichtung der Walze versetzt zueinander angeordnet sind, und damit zu unterschiedlichen Zeitpunkten einer Druckbelastung unterliegen.
Gemäß einer Ausführungsform sind Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte entlang einer auf der Oberfläche der Walze beschriebenen helikalen Kurve angeordnet, wobei eine Abweichung von der helikalen Kurve sowohl in axialer Richtung der Walze als auch in Umfangsrichtung der Walze weniger als 15 cm und insbesondere weniger als 5 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt. Dies erlaubt eine Druckmessung in unterschiedlichen axialen Bereichen der Walze bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Walze.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Ende des wenigstens einen Lichtwellenleiters aus dem Walzenbezug herausgeführt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind beide Enden des wenigstens einen Lichtwellenleiters aus dem Walzenbezug herausgeführt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind in der Walze eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor angeordnet, welche mit dem wenigstens einen Lichtwellenleiter verbunden und ausgebildet sind, Messungen im Bezug auf die Faser-Bragg-Gitter des wenigstens einen Lichtwellenleiters durchzuführen. Der Lichtdetektor kann mit einem Sender verbunden sein, um gewonnene Messdaten über eine Luftschnittstelle nach außerhalb der Walze abzugeben. Weiter kann in der Walze eine Spule angeordnet sein, in welcher von außerhalb der Walze durch Induktion ein Stromfluss angeregt werden kann, um die in der Walze enthaltenen Komponenten mit Energie zu versorgen.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Walzenbezug mehrere Schichten auf, und ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter zwischen zwei Schichten des Walzenbezugs angeordnet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der Walzenbezug mehrere Schichten auf, und ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter in eine der mehreren Schichten eingebettet und von dieser umgeben. Dies erlaubt eine einfache und sichere Befestigung des wenigstens einen Lichtwellenleiters. Ferner ist der Lichtwellenleiter hierdurch gut vor Beschädigung geschützt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter in Epoxidharz eingebettet. Epoxidharz erlaubt eine gute Vermittlung von auf die Walze wirkenden Druckkräften auf den wenigstens einen Lichtwellenleiter.
Gemäß eines weiteren unabhängigen Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Walze zur Verwendung in Papiermaschinen mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- Bereitstellens eines Walzenkerns mit oder ohne eine Walzenbezugschicht,
- Bereitstellens wenigstens eines Lichtwellenleiters mit mehreren Faser-Bragg- Gittern, wobei sich Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte mit Faser-Bragg-Gitter-freien- Abschnitten in Längsrichtung des Lichtwellenleiters abwechseln,
- Fixieren der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte an dem Walzenkern bzw. der Walzenbezugschicht so, dass die Abschnitte mit einer Umfangsrichtung zur
Walze einen Winkel von kleiner 45° und insbesondere kleiner 20° und weiter insbesondere kleiner 10° einschließen und
- Aufbringen wenigstens einer weiteren Walzenbezugschicht, welche den wenigstens einen Lichtwellenleiter bedeckt.
Es ist somit ausreichend, zunächst Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte zu fixieren, so dass Faser-Bragg-Gitter-freie-Abschnitte zunächst beliebig geführt werden können. Dabei sollten jedoch die minimal zulässigen Biegeradien der verwendeten Lichtwellenleiter beachtet werden. Hierdurch können die Lichtwellenleiter schnell, einfach und kostengünstig in die Walzen integriert werden. Das Fixieren der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte an dem Walzenkern bzw. der Walzenbezugschicht kann dauerhaft, beispielsweise mit Epoxidharz oder lösbar, beispielsweise mit Klebeband, erfolgen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Walze zur Verwendung in Papiermaschinen mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- Bereitstellens eines Walzenkerns mit einer Drehachse mit oder ohne eine Walzenbezugschicht, wobei der Walzenkern oder die Walzenbezugsschicht eine zur Drehachse konzentrische Zylinderfläche bereitstellt,
- Bereitstellens wenigstens eines Lichtwellenleiters mit mehreren Faser-Bragg- Gittern, wobei sich Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte mit Faser-Bragg-Gitter-freien- Abschnitten in Längsrichtung des Lichtwellenleiters abwechseln,
- Fixieren des Lichtwellenleiters an der Zylinderfläche so, dass die Faser-Bragg- Gitter-freien-Abschnitten auf der Zylinderfläche zumindest abschnittweise gekrümmt verlaufen und
- Aufbringen wenigstens einer weiteren Walzenbezugschicht, welche den wenigstens einen Lichtwellenleiter bedeckt.
Gemäß einer Ausführungsform der Verfahren erfolgt vor dem Schritt des Fixierens der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte ein Schritt des Anbringens einer Markierung an den Walzenkern oder die Walzenbezugschicht, welche Markierung die Punkte oder Bereiche kennzeichnet, an denen eine Druckmessung erfolgen soll. Diese Markierung kann beispielsweise auch in Form einer Nut erfolgen, in die der Lichtwellenleiter einzulegen ist. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit der Anordnung der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Verfahren erfolgt vor dem Schritt des Aufbringens wenigstens einer Bezugschicht ein Schritt des Fixierens der Faser-Bragg-Gitter-freien-Abschnitte an dem Walzenkern bzw. der Walzenbezugschicht. Hierdurch wird sichergestellt, dass der wenigstens eine Lichtwellenleiter vollflächig an dem Walzenkern bzw. der Walzenbezugschicht anliegt. Wird eine lösbare Befestigung für das Fixieren der Faser-Bragg-Gitter- Abschnitte an dem Walzenkern bzw. der Walzenbezugschicht verwendet, kann zusätzlich ein Lösen dieser lösbare Befestigung und ein Ersetzen durch eine dauerhafte Befestigung vorgesehen sein. Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Dabei zeigt:
Figur 1 schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Walze gemäß einer ersten Ausführungsform, bei der ein Teil des Bezuges entfernt und Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gittern freigelegt sind;
Figur 1 a eine schematische Aussschnittvergrößerung des Walzenbezugs der Darstellung der Figur 1 ; Figur 2 schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Walze gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei der ein Teil des Bezuges entfernt und Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gittern freigelegt sind; Figur 3 schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Walze gemäß einer dritten Ausführungsform, bei der ein Teil des Bezuges entfernt und Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gittern freigelegt sind;
Figur 4 schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Walze gemäß einer vierten Ausführungsform, bei der ein Teil des Bezuges entfernt und Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gittern freigelegt sind; und
Figur 5 schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Walze gemäß einer fünften Ausführungsform, bei der ein Teil des Bezuges entfernt und Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gittern freigelegt sind.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Walze 1 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Die Walze 1 weist einen eine Drehachse 44 bereitstellenden Walzenkern 1 1 sowie einen diesen umgebenen Walzenbezug 12 auf. In dieser Ausführungsform besteht der Walzenkern 1 1 aus Stahl und der Walzenbezug 12 aus Kunststoff. Um eine gute Haftung zwischen dem Walzenbezug 12 und dem Walzenkern 1 1 zu ermöglichen, ist zwischen dem Walzenbezug 12 und dem Walzenkern 1 1 eine dem Fachmann als "base layer" bekannte Verbindungsschicht vorgesehen, die in der Figur nicht eigens gezeigt ist.
Ein Teilbereicht des Walzenbezuges 12 ist in der Figur 1 freigelegt und gibt den Blick auf eine Lichtwellenleiter 21 mit mehreren Faser-Bragg-Gittern 22 frei. Die einzelnen Faser-Bragg-Gitter 22 des Lichtwellenleiters 21 sind ausgebildet, Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu reflektieren.
Wie aus der Darstellung der Figuren 1 und 1 a zu erkennen ist, hat der Lichtwellenleiter 21 Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22 sowie Faser-Bragg-Gitter - freie-Abschnitte 43', 43", wobei sich die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22 und die Faser-Bragg-Gitter-freien-Abschnitte 43'. 43" in Längsrichtung des Lichtwellenleiters 21 abwechseln.
Der Lichtwellenleiter 21 ist mäanderförmig im Walzenbezug 1 1 angeordnet, und erstreckt sich in axialer Richtung der Walze über die gesamte Breite des Walzenbezugs 12. Abschnitte des Lichtwellenleiters 21 , welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter 22 enthalten (im Folgenden Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22), sind so angeordnet, dass diese Abschnitte mit einer Umfangsrichtung zur Walze 1 jeweils einen Winkel von in etwa 0° einschließen. Dabei bedeutet "in etwa 0°", dass Abweichungen von 0° um maximal 15° und bevorzugt maximal 10° toleriert werden können.
In dieser ersten Ausführungsform sind entlang einer Erstreckung des Lichtwellenleiters 21 benachbarte Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22 in axialer Richtung der Walze 1 benachbart in einem Bereich 3 angeordnet, dessen Erstreckung in Umfangsrichtung des Walzenkerns 1 1 genau 1 cm beträgt. Somit dürfen die in axialer Richtung benachbart angeordneten Faser-Bragg-Gitter- Abschnitte 22 in Umfangsrichtung einen Versatz von maximal 1 cm aufweisen. Dabei ist der Abstand zwischen den in axialer Richtung der Walze benachbarten Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten 22 konstant gewählt.
Aufgrund dieser Anordnung der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22 führt eine Druckbelastung auf den Walzenbezug 12 zu einer (geringfügigen) Dehnung der Lichtwellenleiter 21 mit den Faser-Bragg-Gittern und damit zu einer Veränderung der Wellenlänge des von den einzelnen Faser-Bragg-Gittern reflektierten Lichts. Auf diese Weise ist es möglich, eine Druckbelastung auf die Walze entlang einer in axialer Richtung der Walze 1 verlaufenden Linie zu messen.
In der gezeigten Ausführungsform sind beide Enden 23 und 24 des Lichtwellenleiters nach Außen geführt, um mit einer in Figur 1 nicht gezeigten Messeinrichtung verbunden zu werden. Die Figur 1 a zeigt eine schematische Aussschnittvergrößerung des Walzenbezugs 12 der Darstellung der Figur 1 .
Der Walzenbezug 12 hat eine in radialer Richtung der Walze 1 innere zylindrische Mantelfläche 12i sowie eine in radialer Richtung der Walze 1 äußere zylindrische Mantelfläche 12a, wobei Letztere die mit einer Materialbahn oder Bespannung in Kontakt bringbare Oberseite des Walzenbezugs bereitstellt. Die beiden zylindrischen Mantelflächen 12i und 12a sind hierbei konzentrisch zur Drehachse 44 angeordnet.
Innerhalb des Walzenbezugs 12 befindet sich eine zur Drehachse 44 konzentrische Zylinderfläche 12k, auf welcher der zumindest eine Lichtwellenleiter 21 angeordnet ist und auf der sich die Faser-Bragg-Gitter-freien Abschnitte 43', 43" des Lichtwellenleiter 21 gekrümmt erstrecken. Die konzentrische Zylinderfläche 12k kann hierbei bspw. durch die radial äußere Mantelfläche einer radial inneren Walzenbezugsschicht 12' gebildet sein, auf der der Lichtwellenleiter 21 angeordnet ist und die wiederum von einer radial äußeren Walzenbezugsschicht 12" bedeckt ist, so dass im Ergebnis der zumindest eine Lichtwellenleiter 21 in den Walzenbezug 12 eingebettet ist.
Zu erwähnen ist, dass der Krümmungsradius des gekrümmten Verlaufs des Lichtwellenleiters 21 2cm oder größer ist. Ferner erkennt man, dass jeder Faser-Bragg-Gitter-freie-Abschnitt 43', 43" jeweils in nur einer einzigen Krümmungsrichtung gekrümmt ist und dass aufeinander folgende Faser-Bragg-Gitter-freie Abschnitte 43', 43", zwischen denen ein Faser-Bragg-Gitter-Abschnitt 22 angeordnet ist, in zueinander unterschiedlichen Krümmungsrichtungen gekrümmt sind. So ist bspw. der Abschnitt 43 'entgegengesetzt gekrümmt wie der Abschnitt 43".
Ferner haben alle in den Walzenbezug 12 eingebetteten Faser-Bragg-Gitter- freien-Abschnitte 43 die gleiche Länge.
In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Walze 1 ' in schematischer perspektivischer Ansicht gezeigt. Da diese Ausführungsform sehr ähnlich zu der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist, wird nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf die erste Ausführungsform verwiesen.
Die in der Figur 2 gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass ein zweiter Lichtwellenleiter 21 ' mit Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten 22' vorgesehen ist, der in Umfangsrichtung zu dem ersten Lichtwellenleiter 21 mit den Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten 22 versetzt angeordnet ist. Dieser zweite Lichtwellenleiter 21 ' ist über einen Anschluss 23' von Außen zugänglich.
In dieser zweiten Ausführungsform sind die zweiten Enden der Lichtwellenleiter 21 , 21 ' nicht nach Außen geführt.
Die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22' des zweiten Lichtwellenleiters 21 ' sind so in Umfangsrichtung der Walze versetzt unter den Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten 22 des ersten Lichtwellenleiters 21 angeordnet, dass in Umfangsrichtung des Wadenumfangs benachbart angeordnete Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22, 22' in axialer Richtung der Walze 1 ' um weniger als 3 cm versetzt sind. Damit liegen in Umfangsrichtung benachbarte Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22, 22' auf einem schmalen, die Walze in Umfangsrichtung umgebenden Ring. In axialer Richtung sind die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22, 22' eines jeden Lichtwellenleiters 21 , 21 ' wie in der ersten Ausführungsform beschrieben angeordnet.
Eine derartige Anordnung der Lichtwellenleiter 21 , 21 ' und Faser-Bragg-Gitter- Abschnitte 22, 22' erlaubt das Messen einer Druckverteilung in axialer Richtung der Walze bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Walze.
In Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht auf eine Walze 1 " gemäß einer dritten Ausführungsform schematisch gezeigt. Da diese Ausführungsform sehr ähnlich zu der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform ist, wird nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf die erste und zweite Ausführungsform verwiesen.
Die in Figur 3 gezeigt dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform zum einen dadurch, dass statt eines Walzenkerns 1 1 aus Vollmaterial ein als Rohr ausgebildeter Walzenkern 1 1 ' aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff CFK verwendet wird. Im Inneren des Rohrs ist eine Messeinrichtung umfassend eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor zum Emittieren von Licht in den Lichtwellenleiter 21 " und Erfassen des von Faser-Bragg-Gittern des Lichtwellenleiters 21 " reflektierten Lichts, einen Mikroprozessor zum Erhalten eins Messergebnisses anhand der vom Lichtdetektor ausgegebenen Werte sowie einen Sender zum Ausgeben eines Messergebnisses über eine Luftschnittstelle nach Außen angeordnet. Die benötige Energie wird der Messeinrichtung bei Rotation der Walze 1 " auf induktivem Weg zugeführt.
Weiter unterscheidet sich die dritte Ausführungsform von der ersten Ausführungsform hinsichtlich der Anordnung der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22". In der dritten Ausführungsform sind die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22" in axialer Richtung der Walze 1 " paarweise entweder um einen ersten Abstand 41 oder um einen zweiten Abstand 42 beabstandet. In der gezeigten Ausführungsform beträgt der zweite Abstand 42 das doppelte des ersten Abstandes 41 . Die Anordnung der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22' erfolgt in dieser Ausführungsform so, dass die Dichte der Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte an den Enden der Walze 1 " und damit im Bereich der Lager höher ist, als in der Mitte der Walze 1 ". Dies erlaubt das Messen von Druckkräften auf die Walze in besonders interessierenden Bereichen. Auf der Rückseite der in Figur 3 gezeigten Walze 1 " ist ein zweiter Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gittern vorgesehen, der im Bezug auf den ersten Lichtwellenleiter 21 und dessen Faser- Bragg-Gitter-Abschnitte 22" wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben angeordnet ist.
Eine vierte Ausführungsform einer Walze 1 "' ist schematisch in Figur 4 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Da diese Ausführungsform sehr ähnlich zu der vorstehend beschriebenen ersten mit dritten Ausführungsform ist, wird nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf die vorangegangenen Ausführungsformen verwiesen.
In der vierten Ausführungsform sind die Lichtwellenleiter 21 , 21 ' mit den Faser- Bragg-Gitter-Abschnitten 22, 22' so angeordnet, dass die einzelnen Lichtwellenleiter 21 , 21 ' zwischen zwei Schichten des Walzenbezugs 12 (die einzelnen Schichten sind nicht eigens gezeigt) angeordnet sind und die Walze 1 "' jeweils ringförmig in Umfangsrichtung umgeben. Somit sind entlang einer Erstreckung des Lichtwellenleiters 21 benachbarte Faser-Bragg-Gitter- Abschnitte 22 desselben Lichtwellenleiters 21 in Umfangsrichtung der Walze benachbart angeordnet, wobei ein Abstand 5 zwischen zwei benachbarten Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten 22, 22' konstant gewählt ist. Bezogen auf die axiale Richtung der Walze 1 "' liegen die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22, 22' des jeweils selben Lichtwellenleiters 21 , 21 ' in einem sich in Umfangsrichtung über den ganzen Walzenumfang erstreckenden Bereich 6, dessen Erstreckung in axialer Richtung der Walze 1 5 cm beträgt.
In axialer Richtung benachbart angeordnete Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22, 22' unterschiedlicher Lichtwellenleiter 21 , 21 ' sind in der vorliegenden Ausführungsform um einen konstanten Abstand benachbart und so angeordnet, dass ihre Anordnung in Umfangsrichtung der Walze um weniger als 1 cm versetzt ist.
In dieser vierten Ausführungsform sind die Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters 21 , 21 ' jeweils ausgebildet, Licht derselben Wellenlänge zu reflektieren. Bei Kenntnis der Winkelstellung der Walze 1 "' erlaubt eine derartige Anordnung der Lichtwellenleiter 21 , 21 ' und Faser-Bragg-Gitter das Erfassen der Druckverteilung in axialer Richtung der Walze 1 "' bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Walze. Wie in der dritten Ausführungsform ist der Walzenkern 1 1 ' in der vierten Ausführungsform hohl und nimmt eine Messeinrichtung auf, die mit den Lichtwellenleitern 21 , 21 ' verbunden ist.
Figur 5 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Walze 1 "" gemäß einer fünften Ausführungsform. Auch in dieser Ausführungsform ist ein Teil des einen massiven Walzenkern 1 1 aus Faser-Kunststoff-Verbund FKV umgebenden Walzenbezuges 12 freigelegt und gibt den Blick auf mehrere, in einen "base layer" aus Epoxidharz eingebettete Lichtwellenleiter 21 , 21 ' mit Faser-Bragg-Gitter-Abschnitten 22, 22' frei.
In dieser Ausführungsform sind beide Enden 23, 23', 24' der Lichtwellenleiter 21 , 21 ' jeweils nach Außen geführt. Die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte 22, 22' der einzelnen Lichtwellenleiter 21 , 21 ' sind gemäß dieser Ausführungsform jeweils entlang einer helikalen Kurve angeordnet, welche die Walze in axialer Richtung vollständig und in Umfangsrichtung teilweise überstreicht. Auch hier erfolgt die Anordnung der Faser-Bragg-Gitter benachbarter Lichtwellenleiter 21 , 21 ' so, dass in Umfangsrichtung benachbarte Faser-Bragg-Gitter in axialer Richtung der Walze keinen oder nur einen geringen Versatz aufweisen.
Auch wenn in den Figuren 1 bis 5 die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte mit der Umfangsrichtung der Walze jeweils einen Winkel von in etwa 0° einschließen, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der Winkel kleiner 80°, insbesondere kleiner 60° und weiter insbesondere kleiner 40° ist. Das Vorsehen eines gewissen Winkels von insbesondere größer als 10° und insbesondere größer als 20° und weiter insbesondere größer als 30° kann bei sehr hohen Drücken und/oder der Einbettung des wenigstens einen Lichtwellenleiters in einen vergleichsweise weichen Walzenbezug sogar erforderlich sein, um eine übermäßige Zugbelastung des wenigstens einen Lichtwellenleiters zu vermeiden. Beispielsweise können die Faser-Bragg-Gitter-Abschnitte der Umfangshchtung der Walze folgende Winkelbereiche einschließen:
10 < < 80 20 < < 80 30 < < 80
10 < < 60 20 < < 60 30 < < 60
10 < < 40 20 < < 40 30 < < 40
Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung einer Walze zur Verwendung von Papiermaschinen kurz beschrieben. Da das Verfahren linear abläuft, wurde auf das Erstellen einer Figur verzichtet.
In einem ersten Schritt wird ein Walzenkern bereitgestellt. Dieser kann beispielsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen, und massiv oder hohl sein. Dieser kann eine Walzenbezugsschicht wie beispielsweise eine "base layer" aufweisen.
Weiter wird wenigstens ein Lichtwellenleiter mit mehreren Faser-Bragg-Gittern bereitgestellt, wobei sich Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter enthalten, mit Abschnitten des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche frei von einem Faser-Bragg-Gitter sind, in Längsrichtung des Lichtwellenleiters abwechseln.
Anschließend wird auf dem Walzenkern bzw. der Walzenbezugsschicht eine Markierung aufgebracht, die Bereiche kennzeichnet, an denen eine Druckmessung erfolgen soll. Diese Markierung kann beispielsweise durch Farbe aufgebracht oder auch in Form einer Nut in den Walzenkern oder Walzenbezug eingebracht werden, welche die Aufnahme des wenigstens einen Lichtwellenleiters erlaubt. Der Schritt des Aufbringens einer Markierung ist jedoch nur optional.
Dann erfolgt ein Fixieren von Abschnitten des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche Abschnitte jeweils ein Faser-Bragg-Gitter enthalten, sodass die Abschnitte mit einer Umfangshchtung zur Walze einen Winkel von kleiner 80 ° und insbesondere kleiner 60 ° und weiter insbesondere kleiner 45 ° einschließen. Die Fixierung kann beispielsweise lösbar mittels eines Klebebandes erfolgen, wodurch Korrekturen leicht möglich sind.
Anschließend werden die übrigen Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche frei von Faser-Bragg-Gittern sind, dauerhaft beispielsweise mittels Epoxidharz am Walzenkern bzw. mittels eines geeigneten Klebers an der Walzenbezugsschicht fixiert. Dabei können diese Abschnitte, die frei von Faser-Bragg-Gittern sind, zwischen den Abschnitten des Lichtwellenwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter aufweisen, beliebige Schlaufen bilden.
Anschließend wird die lösbare Fixierung der Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter enthalten, entfernt und werden diese Abschnitte dauerhaft beispielsweise mittels Epoxidharz am Walzenkern bzw. mittels eines geeigneten Klebers an der Walzenbezugsschicht fixiert bevor wenigstens eine weitere Walzenbezugsschicht aufgebracht wird.
Anstelle der vorstehenden lösbaren Verdingung der Abschnitten des wenigstens einen Lichtwellenleiters, welche Abschnitte jeweils ein Faser-Bragg-Gitter enthalten, können diese auch gleich dauerhaft mit der Walzte bzw. der Walzenbezugsschicht verbunden werden. Der Schritt des Entfernens der lösbaren Verbindung kann dann entfallen.
Es wird betont, dass die vorstehend unter Bezugnahmen auf die Figuren 1 bis 5 beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen nur beispielhaft sind und den durch die Ansprüche festgelegten Schutzumfang nicht beschränken sollen.

Claims

Patentansprüche
Walze (1 ) zur Verwendung in Papiermaschinen, aufweisend:
einen Walzenkern (1 1 );
einen den Walzenkern (1 1 ) umgebenden Walzenbezug (12); und wenigstens einen Lichtwellenleiter (21 ) mit mehreren Faser-Bragg-Gittern
(22);
wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter (21 ) entweder zwischen Walzenkern (1 1 ) und Walzenbezug (12) angeordnet oder in den Walzenbezug (12) eingebettet ist;
wobei sich Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, mit Abschnitten (43', 43") des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche frei von einem Faser-Bragg-Gitter (22) sind, in Längsrichtung des Lichtwellenleiters abwechseln; und
wobei Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, mit einer Umfangsrichtung zur Walze (1 ) einen Winkel von kleiner 80° und insbesondere kleiner 60° und weiter insbesondere kleiner 45° einschließen.
Walze (1 ) zur Verwendung in Papiermaschinen, insbesondere nach Anspruch 1 , aufweisend:
einen eine Drehachse (44) der Walze (1 ) bereitstellenden Walzenkern (1 1 );
einen den Walzenkern (1 1 ) umgebenden Walzenbezug (12); und wenigstens einen Lichtwellenleiter (21 ) mit mehreren Faser-Bragg-Gittern
(22);
wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter (21 ) entweder zwischen Walzenkern (1 1 ) und Walzenbezug (12) angeordnet oder in den Walzenbezug (12) eingebettet ist; wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter (21 ) entlang seiner zwischen dem Walzenkern (1 1 ) und dem Walzenbezug (12) angeordneten oder in den Walzenbezug (12) eingebetten Längserstreckung, auf einer zur Drehachse (44) der Walze konzentrischen Zylinderfläche verläuft;
wobei sich Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, mit Abschnitten des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche frei von einem Faser- Bragg-Gitter (22) sind, in Längsrichtung des Lichtwellenleiters (21 ) abwechseln; und
wobei zumindest einige der zwischen Walzenkern (1 1 ) und Walzenbezug (12) angeordneten oder in den Walzenbezug (12) eingebetteten Faser- Bragg-Gitter-freien-Abschnitte auf der Zylinderfläche zumindest abschnittsweise gekrümmt verlaufen.
3. Walze (1 ) zur Verwendung in Papiermaschinen, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend:
einen Walzenkern (1 1 );
einen den Walzenkern (1 1 ) umgebenden Walzenbezug (12); und wenigstens einen Lichtwellenleiter (21 ) mit mehreren Faser-Bragg-Gittern
(22);
wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter (21 ) entweder zwischen Walzenkern (1 1 ) und Walzenbezug (12) angeordnet oder in den Walzenbezug (12) eingebettet ist;
wobei sich Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, mit Abschnitten (43', 43") des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche frei von einem Faser-Bragg-Gitter (22) sind, in Längsrichtung des Lichtwellenleiters abwechseln; und
wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter (21 ) entlang seiner zwischen dem Walzenkern (1 1 ) und dem Walzenbezug (12) angeordneten oder in den Walzenbezug (12) eingebetten Längserstreckung zumindest abschnittweise gekrümmt verläuft und der Krümmungsradius des gekrümmten Verlaufs des Lichtwellenleiters 2cm oder größer, bevorzugt 3cm oder größer, besonders bevorzugt 5cm oder größer ist.
4. Walze nach Anspruch 2 oder 3, wobei Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, mit einer Umfangsrichtung zur Walze (1 ) einen Winkel von kleiner 80° und insbesondere kleiner 60° und weiter insbesondere kleiner 45° einschließen.
5. Walze nach einem der Ansprüche 1 -4, wobei Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils frei von einem Faser-Bragg- Gitter (22) sind, jeweils in einer Krümmungsrichtung gekrümmt sind.
6. Walze nach einem der Ansprüche 1 -5, wobei aufeinander folgende Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils frei von einem Faser-Bragg-Gitter (22) sind und zwischen denen ein Abschnitt des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welcher ein Faser- Bragg-Gitter (22) enthält, angeordnet ist, in zueinander unterschiedlichen Krümmungsrichtungen gekrümmt sind.
7. Walze nach einem der Ansprüche 1 -6, dass verschiedene Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils frei von einem Faser-Bragg-Gitter (22) sind, eine Länge haben, die sich um maximal 30%, bevorzugt maximal 10% voneinander unterscheidet, besonders bevorzugt, dass die verschiedenen Abschnitte des wenigstens einen Lichtwellenleiters (21 ), welche jeweils frei von einem Faser-Bragg-Gitter (22) sind, die gleiche Länge haben.
8. Walze nach einem der Ansprüche 1 -7, wobei der wenigstens eine Lichtwellenleiter (21 ) zumindest entlang seines Verlaufs in dem dieser zwischen dem Walzenkern (1 1 ) und dem Walzenbezug (12) angeordnet ist oder in dem Walzenbezug (12) eingebettet ist, einen Kern und einen den Kern umgebenden Mantel hat, wobei der Mantel im Bereich der Abschnitte, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, entweder direkt mit dem Walzenkern (1 1 ) und dem Walzenbezug (12) oder direkt mit dem Walzenbezug (12) in Kontakt ist.
9. Walze (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -8, wobei Abschnitte desselben Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, in axialer Richtung der Walze (1 ) benachbart angeordnet sind.
10. Walze (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -1 1 , wobei Abschnitte desselben Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, in einem sich über die ganze Walzenlänge in axialer Richtung erstreckenden Bereich (3) angeordnet sind, dessen Erstreckung in Umfangsrichtung weniger als 15 cm und insbesondere weniger als 5 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt.
1 1 . Walze (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei Abschnitte desselben Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg- Gitter (22) enthalten, in axialer Richtung der Walze (1 ) um einen konstanten Abstand (4) beabstandet sind.
12. Walze (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -1 1 , wobei Abschnitte desselben Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, in axialer Richtung der Walze (1 ) in einem ersten Bereich um einen ersten Abstand (41 ) und in wenigstens einem zweiten Bereich um einen zweiten Abstand (42) beabstandet sind, wobei insbesondere der zweite Abstand (42) um wenigstens 30% und insbesondere um wenigstens 60% und weiter insbesondere um wenigstens 90% größer als der erste Abstand (41 ) ist.
13. Walze (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, aufweisend mehr als einen Lichtwellenleiter (21 ), wobei benachbarte Abschnitte unterschiedlicher Lichtwellenleiter (21 ), welche Abschnitte jeweils ein Faser-Bragg-Gitter (22) enthalten, in einem sich über den ganzen Walzenumfang in Umfangsrichtung erstreckenden Bereich (6) angeordnet sind, dessen Erstreckung in axialer Richtung der Walze (1 ) weniger als 10 cm und insbesondere weniger als 3 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt.
14. Walze (1 ) nach Anspruch 13, wobei zueinander benachbarte Abschnitte unterschiedlicher Lichtwellenleiter (21 ), welche jeweils ein Faser-Bragg- Gitter (22) enthalten und welche in einem Bereich angeordnet sind, dessen Erstreckung in axialer Richtung der Walze (1 ) weniger als 10 cm und insbesondere weniger als 3 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt, in Umfangsrichtung der Walze 45° oder mehr, insbesondere 90° oder mehr zueinander versetzt angeordnet sind.
15. Walze (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei Abschnitte desselben Lichtwellenleiters, welche jeweils ein Faser-Bragg- Gitter (22) enthalten, entlang einer auf der Oberfläche der Walze (1 ) beschriebenen helikalen Kurve angeordnet sind, wobei eine Abweichung von der helikalen Kurve sowohl in axialer Richtung der Walze (1 ) als auch in Umfangsrichtung der Walze (1 ) weniger als 15 cm und insbesondere weniger als 5 cm und weiter insbesondere weniger als 1 cm beträgt.
16. Walze (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei wenigstens ein Ende des wenigstens einen Lichtwellenleiters aus dem Walzenbezug (12) herausgeführt ist und insbesondere beide Enden des wenigstens einen Lichtwellenleiters aus dem Walzenbezug (12) herausgeführt sind.
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