WO2013037926A1 - Messsystem und verfahren zum bestimmen und regeln von flächenbezogenen aufträgen - Google Patents

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WO2013037926A1
WO2013037926A1 PCT/EP2012/068021 EP2012068021W WO2013037926A1 WO 2013037926 A1 WO2013037926 A1 WO 2013037926A1 EP 2012068021 W EP2012068021 W EP 2012068021W WO 2013037926 A1 WO2013037926 A1 WO 2013037926A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
measuring
material web
web
measuring system
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/068021
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ingolf Cedra
Oliver Kaufmann
Thomas Ischdonat
Original Assignee
Voith Patent Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent Gmbh filed Critical Voith Patent Gmbh
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G9/00—Other accessories for paper-making machines
    • D21G9/0009—Paper-making control systems
    • D21G9/0045—Paper-making control systems controlling the calendering or finishing
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G9/00—Other accessories for paper-making machines
    • D21G9/0009—Paper-making control systems
    • D21G9/0036—Paper-making control systems controlling the press or drying section

Definitions

  • the invention relates to a measuring system for determining the area-related dry weight of a liquid or pasty application medium applied to a moving material web (6), in particular to a fibrous web (6) in a paper, board or coater, comprising at least two measuring devices between which the material web (6) can be coated on at least one side, and at least one measuring and / or evaluation electronics.
  • the coating machine can be constructed in such a way that the order can be applied on one side or on both sides simultaneously or quasi-simultaneously or directly or in quick succession.
  • the machine can be equipped, for example, with a film press coater. be provided that the Be fürungsmatenal simultaneously applied on both sides of the web.
  • coating units such as curtain applicators, spray applicators or so-called blade or blade applicators or applicators with corresponding doctor devices which apply the coating material only on one side of the material web.
  • the area-related coating dry weight must be determined.
  • the area-related coating dry weight can be determined together or in successive measurements.
  • the reflective can measure the line weight for a material web page after a near-infrared absorption process.
  • such sensors must be calibrated cumbersome and have proved to be insufficiently accurate.
  • the coating weight can be measured simply by means of known basis weight sensors by measuring the area weight of the uncoated material web before application and the basis weight of the coated material web after application. The difference between these basis weights gives the total line weight, including the residual water contained therein.
  • Radioactive sources have proven useful, which determine the basis weight from the extinction of the radiation of a radioactive source, usually a ⁇ -radiation source, of known intensity by the material web according to a radioactive measuring method.
  • a radioactive source usually a ⁇ -radiation source
  • Such sensors have the disadvantage that the handling of the radioactive sources is associated with significant regulatory requirements and wherein the radioactivity is also a health risk.
  • An essential object of the invention is to propose an alternative measuring system and a method for surface-related measurement and / or regulation of an order on a material web.
  • the object is achieved by means of a measuring system with the features of claim 1 and a method according to claim 9.
  • a measuring system of the type mentioned wherein the measuring devices each comprise a Traversiervornchtung with at least one sensor, wherein each at least one sensor element of the sensors by means of the traversing devices is movable transversely to the web running direction, each Traversiervornchtung a first sensor for measuring moisture and a second sensor for measuring the weight per unit area and the dry weight of the application medium is determined by means of measuring and / or evaluation electronics from the measured values.
  • the first sensor may be designed for near infra-red (NIR) operation.
  • the sensor may consist of an IR light source on the one material web side and an IR sensor on the opposite material web side, both of which are arranged on the traversing device and can be moved synchronously transversely to the web running direction.
  • the second sensor is preferably a microwave sensor, which further preferably consists of a coupling element (microwave resonator) and a reference element.
  • the microwave sensor or the elements of the microwave sensor are arranged together with the first sensor or its elements on the Traversiervornchtung and by means of this synchronously transversely to the web running direction movable.
  • at least the coupling element is arranged without contact with respect to the moving material web on the traverse device.
  • the second sensor can then be designed in such a way that at least the coupling element is arranged without contact with respect to the moving material web on the traverse device and the reference element is embodied in web width.
  • the light source or the IR sensor would have to be made wide, so you can do without an O-frame traversing device.
  • Paper, board or coater with a measuring system according to the above-mentioned structure have the advantage that they do without a radiometric sensor. In addition, it is possible with this arrangement to determine the dry weight of the application medium.
  • the measuring system comprises at least two traversing devices, each with two sensors, the moisture being measured with a first sensor and the surface weight with a second sensor, from which the moisture content of the basis weight can be calculated out in a measuring and / or evaluation electronics.
  • a liquid or pasty application medium is applied to the material web and the area-related application quantity is regulated by means of the measuring and control system.
  • the moisture and basis weight are measured before and after the at least one-sided application. From the difference, the area-related dry weight application quantity is determined and regulated.
  • At least one of the following parameters shall be regulated:
  • Drying capacity of a drying device for drying the material web underside is a drying device for drying the material web underside.
  • NIR near-infrared-red-area sensor
  • the measuring system consists of three measuring devices.
  • a liquid or pasty application medium is applied on both sides of the material web by means of separate application devices and the order quantities per side determined and regulated by measuring devices are arranged before, between and after the orders, with which the respective surface order quantities from the difference of the individual measurements determined and controlled become.
  • the area-related order weight of the individual orders can be determined and regulated particularly advantageous.
  • the material web surface of the material web can be coated simultaneously between two traversing devices and the area-related dry weights per order page can be determined by means of the measuring and / or evaluation electronics by dividing the total dry weight by the division by means of a representative division value.
  • Figure 1 shows the basic structure of the measuring system according to the invention
  • Figure 2 is a sketch for explaining the measuring method
  • Figure 3 shows the course of the resonant frequency with respect to the basis weight Figure 4a - c different embodiments of basis weight sensors in one
  • FIG. 1 shows the basic construction of the measuring system according to the invention in a coating machine 1.
  • the coating machine 1 can be operated online following a paper machine or offline.
  • the measuring system comprises two measuring devices and at least one measuring and / or evaluation electronics for measuring and controlling the basis weight and the humidity the material web.
  • the material web passes through a first measuring device, by means of which the transverse profiles of the moisture and the weight per unit area of the material web are determined.
  • This measuring device which comprises a traversing device 2.1, can simultaneously be the measuring frame for regulating the paper machine.
  • a simultaneous coating of the fibrous web 6 takes place from both sides with a liquid or pasty coating material 7 or application medium.
  • the coating can also be applied on one side or in two successive coating devices, such as the curtain coating process.
  • a plurality of drying systems 8, 9, 4 are arranged, wherein the two first systems can be contactless infrared drying systems and the third system can be a drying section with drying cylinders 4.
  • the coating devices as well as the drying systems are constructed in such a way that the cross-sectional properties of the material web can be influenced by targeted transverse and longitudinal profile control so that the material web properties are regulated.
  • the basis weight and moisture cross profile is measured again with a second measuring device. From the measured values of the two measuring devices, the area-related dry weight as well as the application transverse profile or longitudinal profile can be determined in the measuring and / or evaluation electronics.
  • FIG. 2 shows a sketch for further explanation of the measuring method.
  • the sensors measure the transverse profile properties before and after application of the coating material to the material web surfaces 7a, 7b.
  • the area-related total order on both sides of the material web is determined by forming the difference between the measured sizes.
  • the measuring devices consist essentially of a traversing device with which the measuring sensors 10, 1, 12 and 13 are movable transversely to the direction of web travel.
  • FIG. 3a shows a diagram with the profile of the permittivities of water 31 and fibers 32.
  • the basic physical variable is the permittivity ⁇ ⁇ . Shown is the course of the permittivities ⁇ ⁇ of water 31 and of fibers 32 over a frequency range of (0.1 - 1000) GHz at a temperature of 20 ° C.
  • the permittivity of paper, all components without the water content, is approximately constant over the given frequency range ( ⁇ ⁇ p ap ier ⁇ 4-5). Since the total basis weight is to be measured, the permittivities for all substances contained in the paper, essentially fiber, water and fillers, have to assume approximately the same permittivity value, with the exception of the filler titanium dioxide, the permittivity of the other fillers is negligible.
  • the permittivity ⁇ ⁇ of water depends strongly on the frequency. Only at frequencies> 20 GHz, the permittivity ⁇ ⁇ of water in the same order of magnitude as that of fibers. This is the reason why higher frequencies must be used to measure the total area weight.
  • This measuring range is in frequency ranges greater than 20 GHz and in particular in frequency ranges greater than 100 GHz.
  • a suitable method for determining the permittivity and thus the basis weight is a measurement of the resonant frequency of a microwave resonator.
  • the resonant frequency depends under the above condition, as can be seen from Fig. 3b, in a clear way from the basis weight. The higher the basis weight, the lower the amplitude of the resonance frequency.
  • the decisive factor in this type of measurements is the permittivity of the material to be investigated, with which the resonator interacts.
  • the permittivity determines the frequency and damping behavior of the resonator. Due to the different materials with which the resonator interacts, a shift in the resonant frequency as well as a change in the resonance width result. With greater permittivity, the resonance frequency shifts to lower frequencies as the width of the resonance curve increases.
  • a major disadvantage of the resonance method is that the measured resonance frequency depends very much on the distance of the resonator to the paper. Ideal would be a touch of the paper web, which, however, is technically necessary to avoid. If the sensor touched the paper web or the coating, it would lead to a demolition. FIGS.
  • the microwave sensor 30 consists in all cases of a resonator 12 (coupling element) and a reference element 13 which are each arranged on a carrier element 40 a, b.
  • the carrier elements 40 a, b are guided parallel to one another in the carrier element guides 41 a, b in such a way that the distance c between resonator 12 and reference element 13 can be changed by the independent displacement of the carrier elements 40 a, b.
  • the carrier elements 40a, b are pressed against the material web 36 by means of a first air cushion 34 and it is ensured by means of a second air cushion 35 that the distance a, b is held to the material web 36, so that a material web 36 passes between the carrier elements 40a, b can be.
  • the carrier elements 40 a, b corresponding nozzle openings 42 which are supplied by a compressed air source with compressed air.
  • the air cushion ensures a distance between material web and carrier elements 40 a, b.
  • the second air cushion 34 is between support plate 40 a, b and support member 41 a, b generated, so that the support plate 40 a, b in the leadership of the support member 41 a, b are moved in the direction of web.
  • stable distances a, b are achieved to the material web.
  • the air cushions 34, 35 can be regulated by means of eg valves (actuators) in such a way that that the distance a, b, c between the resonator 12 and the reference element 13 and / or between the resonator 12 and web material 13 and between the reference element 13 and web material 36 is arbitrarily adjustable.
  • the distances a, b, c can be chosen and regulated differently depending on the paper technology application.
  • the distance c between the resonator 12 and the reference element 13 may be between 1 ⁇ and 10000 ⁇ .
  • a distance measuring device 43 which measures the distance c via magnetic induction, is additionally installed in the carrier element 40a, b. Characterized in that the resonator 12 and the reference element 13 are movably mounted and whose distance a, b can be regulated to the paper web by means of the air cushion 34, 34 and set to a minimum value, and the distance c is measured, it is ensured that there is none Contact with the paper web 12 comes and the measurement can be done in dependence on the distance. In Fig. 4 b and c two further embodiments of the device are shown.
  • the microwave sensors only the upper support elements 41 a are arranged movably in the direction of the material web.
  • the lower support members 1 10 are arranged opposite the upper support member 41 a in a fixed position.
  • the moving web is lifted off the lower microwave sensor element carrier only due to the Bernoulli effect.
  • the control of the distances is effected by the control of the air cushion 34, 35 by the distance c and the distances a and b can be set or regulated.
  • the difference between the embodiments in FIG. 4 b and FIG. 4 c is that, in FIG. 4 c, the lower carrier element 1 has 10 nozzle openings 42.
  • an air cushion 35 can be constructed, which lifts the material web 12 from the carrier element 1 10 and in conjunction with the air cushions 34, 35, the distances a, b and c are adjustable.
  • an embodiment is shown in which on a traversing rail only the Microwave resonator 12 is movable traversing.
  • the reference element 13 is formed in this case by a web-width reference element over which the fibrous web is guided. This may be a guide roller or any other guide element.
  • the coupling element 12 is movably mounted, as shown in FIG. 4a, so that the distance to the fibrous web can be regulated.
  • the sensor for measuring the moisture is not shown in FIGS. 4a to 4b and FIG. 5 but is also attached to the traversing device 2.1, 2.2, 44 or 45 and is moved synchronously with the basis weight sensor. If an arrangement is selected as shown in FIG. 5, an element of the moisture sensor must also be made wide. This can be, for example, a web-wide IR light source 1 1.

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Abstract

Messsystem zur Bestimmung des flächenbezogenen Trockengewichts eines auf eine bewegte Materialbahn (6) aufgetragenen flüssigen oder pastösen Auftragsmediums, insbesondere auf eine Faserstoff bahn (6) in einer Papier-, Karton- oder Streichmaschine, umfassend wenigstens zwei Messvorrichtungen zwischen denen die Materialbahn (6) zumindest einseitig beschichtbar ist, wobei die Messvorrichtungen jeweils eine Traversiervorrichtung (2.1, 2.2) mit je mindestens einem Sensor umfassen, wobei jeweils zumindest ein Sensorelement (9, 10, 11, 12) der Sensoren mittels der Traversiervorrichtungen (2.1, 2.2) quer zur Bahnlaufrichtung bewegbar ist, wobei jede Traversiervorrichtung (2.1, 2.2) einen ersten Sensor zur Messung der Feuchtigkeit (10, 11) und einen zweiten Sensor zur Messung des Flächengewichtes (12, 13) umfasst und mittels einer Mess- und/oder Auswerteelektronik aus den Messwerten das Trockengewicht des Auftragsmediums ermittelt wird.

Description

Messsystem und Verfahren zum Bestimmen und Regeln von
flächenbezogenen Aufträgen
Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung des flächenbezogenen Trockengewichts eines auf eine bewegte Materialbahn (6) aufgetragenen flüssigen oder pastösen Auftragsmediums, insbesondere auf eine Faserstoffbahn (6) in einer Papier-, Karton- oder Streichmaschine, umfassend wenigstens zwei Messvorrich- tungen, zwischen denen die Materialbahn (6) zumindest einseitig beschichtbar ist, und wenigstens eine Mess- und/oder Auswerteelektronik.
Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung von flächenbezogenen Aufträgen in einer Papier- und/oder Kartonmaschine oder Streichmaschine mit einem derartigen Messsystem. Derartige Maschinen, Papier-, Kartonmaschine oder Streichmaschine, sind in vielerlei Ausgestaltungen bekannt. Es wird hier insbesondere an Streichmaschinen für das Online-Streichen oder das Offline-Streichen von Papier oder Karton gedacht.
Die Streichmaschine kann dabei derart aufgebaut sein, dass der Auftrag einseitig oder auf beiden Seiten gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig oder unmittelbar oder kurz nacheinander auftragbar ist.
Es wird insbesondere auch an solche Fälle gedacht, bei denen die Beschichtung auf der ersten Materialbahnseite noch nicht getrocknet ist, bevor die andere Materialbahnseite mit einer Beschichtung bestrichen wird. Unter Flächengewicht wird allgemein das Gesamtgewicht, also das Gewicht aller Faserstoffbahnbestandteile, wie Fasern, Asche und Wasser zusammen, verstanden. Zur Ermittlung des Beschichtungstrockengewichtes muss der Wasseranteil herausgerechnet werden.
Die Maschine kann beispielsweise mit einem Filmpressenstreichaggregat ausge- stattet sein, dass das Beschichtungsmatenal simultan auf beiden Seiten der Materialbahn aufträgt. Es können aber auch Streichaggregate wie Vorhang- Auftragswerke, Sprüh-Auftragswerke oder sogenannte Blade- oder Klingen- Auftragswerke bzw. Auftragswerke mit entsprechenden Rakeleinrichtungen vorge- sehen sein, die das Beschichtungsmatenal jeweils nur auf einer Seite der Materialbahn auftragen.
Für die Erzielung einer hohen und gleichmäßigen Beschichtungsqualität muss das flächenbezogene Beschichtungstrockengewicht bestimmt werden. Bei beidseitigem Beschichten oder auch Streichen kann das flächenbezogene Beschichtungstro- ckengewicht zusammen oder in aufeinanderfolgenden Messungen bestimmt werden.
Zur Messung der Beschichtung oder des Strichgewichtes werden z. B. Strichgewicht-Sensoren eingesetzt, die reflektiv nach einem Nah-Infrarot- Absorptionsverfahren das Strichgewicht für eine Materialbahnseite messen können. Derartige Sensoren müssen aber umständlich kalibriert werden und haben sich als nicht ausreichend genau erwiesen.
Des Weiteren kann das Strichgewicht, einfach mittels bekannter Flächengewicht- Sensoren gemessen werden, indem vor dem Auftragen das Flächengewicht der ungestrichenen Materialbahn und nach dem Auftragen das Flächengewicht der gestrichenen Materialbahn gemessen wird. Aus der Differenz dieser Flächengewichte ergibt sich das Gesamt-Strichgewicht, inklusive dem darin enthaltenen Restwasser.
Bewährt haben sich Flächengewicht-Sensoren, die nach einem radioaktiven Messverfahren das Flächengewicht aus der Extinktion der Strahlung einer radioakti- ven Quelle, üblicherweise einer ß-Strahlungsquelle, bekannter Intensität durch die Materialbahn bestimmen. Derartige Sensoren haben den Nachteil, dass die Handhabung der radioaktiven Quellen mit erheblichen behördlichen Auflagen verbunden ist und wobei die Radioaktivität zudem ein gesundheitliches Risiko darstellt.
Weiterhin lässt die Genauigkeit der Messung mit der Zeit nach und es kommt durch den radioaktiven Zerfall zu einem Messrauschen. Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Messsystem sowie ein Verfahren zur flächenbezogenen Messung und/oder Regelung eines Auftrages auf eine Materialbahn vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird mittels eines Messsystems mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Messsystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei die Messvorrichtungen jeweils eine Traversiervornchtung mit je mindestens einem Sensor umfassen, wobei jeweils zumindest ein Sensorelement der Sensoren mittels der Traversiervorrichtungen quer zur Bahnlaufrichtung bewegbar ist, wobei jede Traversiervornchtung einen ersten Sensor zur Messung der Feuchtigkeit und einen zweiten Sensor zur Messung des Flächengewichtes umfasst und mittels einer Mess- und/oder Auswerteelektronik aus den Messwerten das Trockengewicht des Auftragsmediums ermittelt wird.
Der erste Sensor kann für einen Betrieb im Nahe-Infra-Rot-Bereich (NIR) ausgelegt sein. Der Sensor kann aus einer IR— Lichtquelle auf der einen Materialbahnseite und einem IR-Sensor auf der gegenüberliegenden Materialbahnseite bestehen, die beide an der Traversiervornchtung angeordnet und mittels dieser synchron quer zur Bahnlaufrichtung bewegbar sind.
Der zweite Sensor ist vorzugsweise ein Mikrowellensensor, der weiterhin vorzugs- weise aus einem Einkoppelelement (Mikrowellenresonator) und einem Referenzelement besteht. Der Mikrowellensensor bzw. die Elemente des Mikrowellensensors sind zusammen mit dem ersten Sensor bzw. dessen Elemente an der Traversiervornchtung angeordnet und mittels dieser synchron quer zur Bahnlaufrichtung bewegbar. In einer weiteren Ausführung des zweiten Sensors ist zumindest das Einkoppelelement berührungsfrei gegenüber der laufenden Materialbahn an der Traversiervornchtung angeordnet.
Der zweite Sensor kann dann derart ausgeführt sein, dass zumindest das Einkoppelelement berührungsfrei gegenüber der laufenden Materialbahn an der Traver- siervorrichtung angeordnet und das Referenzelement bahnbreit ausgeführt ist. In diesem Fall müsste allerdings auch die Lichtquelle oder der IR-Sensor bahnbreit ausgeführt werden, sodass man auf eine O-Rahmen-Traversievorrichtung verzichten kann.
Papier-, Karton- oder Streichmaschinen mit einem Messsystem entsprechend dem oben angeführten Aufbau haben den Vorteil, dass sie ohne einen radiometrischen Sensor auskommen. Zudem ist es mit dieser Anordnung möglich, das Trockengewicht des Auftragsmediums zu ermitteln.
Dazu umfasst das Messsystem mindestens zwei Traversiervorrichtungen mit jeweils zwei Sensoren, wobei mit einem ersten Sensor die Feuchtigkeit und mit einem zweiten Sensor das Flächengewicht gemessen wird, aus denen in einer Mess- und/oder Auswerteelektronik der Feuchtigkeitsanteil am Flächengewicht herausgerechnet werden kann.
Zwischen den mindestens zwei Messvorrichtungen wird ein flüssiges oder pastöses Auftragsmedium auf die Materialbahn aufgetragen und die flächenbezogene Auftragsmenge mittels des Mess- und Regelsystems geregelt.
In dieser Ausführung werden die Feuchtigkeit und das Flächengewicht vor und nach dem mindestens einseitigen Auftrag gemessen. Aus der Differenz wird die flächenbezogene Trockengewichtsauftragsmenge ermittelt und geregelt.
Zur Erreichung des flächenbezogenen Trockengewichts wird zumindest einer der folgenden Parameter geregelt:
Auftragsmenge auf die Materialbahnoberseite
Auftragsmenge auf die Matetrialbahnunterseite
Trockenleistung einer Trockenvorrichtung zur Trocknung der Materialbahnoberseite
Trockenleistung einer Trockenvorrichtung zur Trocknung der Materialbahnunterseite.
Des Weiteren kann vorgesehen werden die Auftragsmenge und die Trockenleistung in Maschinenquerrichtung zonenweise zu regeln. Dazu sind Auftragvorrichtungen und/oder Trockenvorrichtungen vorzusehen die eine zonale Aufteilung aufweisen. Zur Messung der Feuchtigkeit kann eine Nahe-Infra-Rot-Bereich-Sensor (NIR) vorgesehen sein und das Flächengewicht kann mittels eines Mikrowellensensors gemessen werden.
In einer weiteren Ausführung besteht das Messsystem aus drei Messvorrichtungen. Dabei wird ein flüssiges oder pastöses Auftragsmedium beidseitig der Materialbahn mittels separater Auftragsvorrichtungen aufgetragen und die Auftragsmengen je Seite dadurch ermittelt und geregelt, dass vor, zwischen und nach den Aufträgen Messvorrichtungen angeordnet sind, mit denen die jeweiligen flächenbezogenen Auftragsmengen aus der Differenz der Einzelmessungen ermittelt und geregelt werden. So kann besonders vorteilhaft das flächenbezogene Auftragsgewicht der Einzelaufträge ermittelt und geregelt werden.
Des Weiteren kann die Materialbahnoberfläche der Materialbahn zwischen zwei Traversiervorrichtungen gleichzeitig beschichtet werden und die flächenbezogenen Trockengewichte je Auftragsseite mittels der Mess- und/oder Auswerteelektronik dadurch bestimmt werden, dass das Gesamttrockengewicht durch die Aufteilung mittels eines repräsentierenden Aufteilungswerts aufgeteilt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
In diesen zeigen:
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Messsystems;
Figur 2 eine Skizze zur Erläuterung des Messverfahrens
Figur 3 den Verlauf der Resonanzfrequenz in Bezug auf das Flächengewicht Figur 4a - c verschiedene Ausführungen von Flächengewichtssensoren in einem
O-Rahmen
Figur 5 Anordnung an einer Traversierschiene
In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Messsystems in einer Streichmaschine 1 gezeigt. Die Streichmaschine 1 kann dabei online im Anschluss an eine Papiermaschine oder auch offline betrieben werden. Das Messsystem umfasst zwei Messvorrichtungen und wenigstens eine Mess- und/oder Auswer- teelektronik zur Messung und Regelung des Flächengewichts und der Feuchtigkeit der Materialbahn.
Die Materialbahn durchläuft dabei eine erste Messvorrichtung, mittels der die Querprofile der Feuchte und des Flächengewichtes der Materialbahn ermittelt werden. Dieser Messvorrichtung die eine Traversiervorrichtung 2.1 umfasst dies kann gleichzeitig der Messrahmen zur Regelung der Papiermaschine sein.
In der gezeigten Streichmaschine 1 erfolgt eine gleichzeitige Beschichtung der Faserstoffbahn 6 von beiden Seiten mit einem flüssigen oder pastösem Beschich- tungsmaterial 7 oder Auftragsmedium. Alternativ kann die Beschichtung aber auch einseitig oder in zwei aufeinanderfolgenden Beschichtungsvorrichtungen, wie dem Vorhangbeschichtungsverfahren, aufgebracht werden. Im Anschluss an die Be- schichtungsvorrichtung sind mehrere Trocknungssysteme 8, 9, 4 angeordnet, wobei die beiden ersten Systeme kontaktlose Infrarottrocknungssysteme sein können und das dritte System eine Trockenpartie mit Trockenzylindern 4 sein kann.
Die Beschichtungsvorrichtungen wie auch die Trocknungssysteme sind derart aufgebaut, dass die Querprofileigenschaften der Materialbahn, durch gezielte Quer- und Längsprofilregelung, beeinflusst werden können, sodass eine Regelung der Materialbahneigenschaften erfolgt.
Nach dem Durchlaufen der Beschichtungsanlage wird mit einer zweiten Messvorrichtung erneut das Flächengewichts- und Feuchtigkeitsquerprofil gemessen. Aus den Messwerten der beiden Messvorrichtungen kann in der Mess- und/oder Auswerteelektronik das flächenbezogene Trockengewicht sowie das Auftragsquerprofil bzw. -längsprofil ermittelt werden.
In Figur 2 wird eine Skizze zur weiteren Erläuterung des Messverfahrens gezeigt. Die Sensoren messen die Querprofileigenschaften vor und nach dem Auftrag des Beschichtungsmaterials auf die Materialbahnoberflächen 7a, 7b. Der flächenbezogene Gesamtauftrag auf beide Seiten der Materialbahn wird durch Bildung der Differenz der gemessenen Größen ermittelt.
Die Messvorrichtungen bestehen im Wesentlichen aus einer Traversiervorrichtung, mit der die Messsensoren 10,1 1 ,12 und 13 quer zur Bahnlaufrichtung bewegbar sind. Figur 3a zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf der Permittivitäten von Wasser 31 und Fasern 32. Bei Messungen mit Mikrowellen ist die grundlegende physikalische Größe die Permittivität εΓ. Dargestellt ist der Verlauf der Permittivitäten εΓ von Wasser 31 und von Fasern 32 über einen Frequenzbereich von (0,1 - 1000) GHz bei einer Temperatur von 20°C.
Die Permittivität von Papier, alle Bestandteile ohne den Wasseranteil, ist über den gegebenen Frequenzbereich annähernd konstant (εΓ papier ~ 4-5). Da das gesamte Flächengewicht gemessen werden soll, müssen die Permittivitäten für alle im Papier enthaltenen Substanzen, im Wesentlichen Faser, Wasser und Füllstoffe, annähernd den gleichen Permittivitätswert annehmen, wobei mit Ausnahme des Füllstoffes Titandioxid, die Permittivität der anderen Füllstoffe vernachlässigbar ist.
Wie aus der Kurve für Wasser 31 ersichtlich ist, hängt die Permittivität εΓ von Wasser jedoch stark von der Frequenz ab. Erst ab Frequenzen > 20 GHz liegt die Permittivität εΓ von Wasser in derselben Größenordnung wie diejenige von Fasern. Dies ist der Grund, weshalb für die Messung des Gesamtflächengewichts höhere Frequenzen verwendet werden müssen.
Zur Messung des Flächengewichts ist es somit erforderlich, einen Frequenzbereich aufzufinden, in dem alle in der Faserstoffbahn beziehungsweise im Papier vorkommenden Inhaltsstoffe eine mehr oder weniger gleiche Permittivität besitzen. Damit ist gewährleistet, dass die Faserstoffbahn beziehungsweise das Papier als einheitliches Messgut betrachtet werden kann. Dieser Messbereich liegt in Frequenzbereichen größer 20 GHz und insbesondere in Frequenzbereichen größer 100 GHz.
Eine geeignete Methode die Permittivität und somit das Flächengewicht zu bestimmen ist eine Vermessung der Resonanzfrequenz eines Mikrowellenresonators. Die Resonanzfrequenz hängt unter obiger Bedingung, wie aus Fig. 3b zu entnehmen, in eindeutiger Weise vom Flächengewicht ab. Je höher das Flächengewicht, desto niedriger ist die Amplitude der Resonanzfrequenz.
Die entscheidende Größe bei dieser Art von Messungen ist die Permittivität des jeweils zu untersuchenden Materials, mit dem der Resonator zusammenwirkt. Die Permittivität bestimmt das Frequenz und Dämpfungsverhalten des Resonators. Dabei ergeben sich durch die unterschiedlichen Materialien, mit denen der Resonator zusammenwirkt, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz sowie eine Änderung der Resonanzbreite. Bei größerer Permittivität verschiebt sich die Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzen, während die Breite der Resonanzkurve zunimmt. Ein großer Nachteil der Resonanzmethode ist, dass die gemessene Resonanzfrequenz sehr stark vom Abstand des Resonators zum Papier abhängt. Ideal wäre eine Berührung der Papierbahn, was jedoch aus technologischen Gründen zwingend zu vermeiden ist. Würde der Sensor die Papierbahn oder die Beschichtung berühren, würde es zu einem Abriss kommen. In den Figuren 4a - c sind verschiedene Ausführungen von Sensoren 30 zur Messung des Flächengewichtes in einem O-Rahmen (oder U Rahmen) dargestellt. Der Mikrowellensensor 30 besteht in allen Fällen aus einem Resonator 12 (Einkoppelelement) und einem Referenzelement 13 die jeweils auf einem Trägerelement 40 a, b angeordnet sind. Die Trägerelemente 40 a, b sind in den Trägerelementführun- gen 41 a, b derart parallel zueinander geführt, dass der Abstand c zwischen Resonator 12 und Referenzelement 13 durch das unabhängig Verschieben der Trägerelemente 40 a, b veränderbar ist.
Die Trägerelemente 40a, b werden mittels eines ersten Luftkissens 34 gegen die Materialbahn 36 gedrückt und mittels eines zweiten Luftkissens 35 wird sicherge- stellt, dass der Abstand a, b zur Materialbahn 36 gehalten wird, sodass eine Materialbahn 36 zwischen den Trägerelementen 40a, b hindurchgeführt werden kann.
Zur Erzeugung des Luftkissens 35 weisen die Trägerelemente 40 a, b entsprechende Düsenöffnungen 42 auf, die von einer Druckluftquelle mit Druckluft versorgt werden. Das Luftkissen sorgt für einen Abstand zwischen Materialbahn und Trägerelementen 40 a, b. Das zweite Luftkissen 34 ist zwischen Trägerplatte 40 a, b und Trägerelement 41 a, b erzeugbar, sodass die Trägerplatte 40 a, b in der Führung des Trägerelements 41 a, b in Richtung Materialbahn verschoben werden. So werden stabile Abstände a, b zur Materialbahn erreicht. Die Luftkissen 34, 35 können über z.B. Ventile (Aktuatoren) derart geregelt werden, dass der Abstand a, b, c zwischen dem Resonator 12 und dem Referenzelement 13 und/oder zwischen Resonator 12 und Bahnmaterial 13 sowie zwischen Referenzelement 13 und Bahnmaterial 36 beliebig einstellbar ist. So können die Abstände a, b, c beispielsweise je nach papiertechnologischer Anwendung unterschiedlich gewählt und geregelt werden.
Der Abstand c zwischen dem Resonator 12 und dem Referenzelement 13 kann zwischen 1 μιτι und 10000 μιτι betragen. Zur Messung des Abstandes ist in dem Trägerelement 40a, b zusätzlich eine Abstandsmessvorrichtung 43 eingebaut, die über magnetische Induktion den Abstand c misst. Dadurch, dass der Resonator 12 und das Referenzelement 13 beweglich gelagert sind und deren Abstand a, b zur Papierbahn mittels der Luftpolster 34, 34 geregelt und auf einen Minimalwert eingestellt werden kann, sowie der Abstand c gemessen wird, ist sichergestellt, dass es zu keiner Berührung mit der Papierbahn 12 kommt und die Messung in Abhängigkeit zum Abstand erfolgen kann. In Fig. 4 b und c sind zwei weitere Ausführungsformen der Vorrichtung gezeigt. In diesen Ausführungsformen der Mikrowellensensoren sind nur die oberen Trägerelemente 41 a beweglich in Richtung Materialbahn angeordnet. Die unteren Trägerelemente 1 10 sind gegenüber dem oberen Trägerelement 41 a in einer fixen Position angeordnet. So wird bei der in Fig. 4 c gezeigten Ausführungen die bewegte Materialbahn nur aufgrund des Bernoulli-Effekts von dem unteren Mikrowellensensorelementträger abgehoben. Die Regelung der Abstände erfolgt durch die Regelung der Luftpolster 34, 35 durch die der Abstand c sowie die Abstände a und b eingestellt bzw. geregelt werden können. Der Unterschied zwischen den Ausführungen in Fig.4 b und Fig. 4 c ist, dass in Figur 4 c das untere Trägerelement 1 10 Düsenöffnungen 42 aufweist. So kann auch hier ein Luftpolster 35 aufgebaut werden, das die Materialbahn 12 von dem Trägerelement 1 10 abhebt und im Zusammenspiel mit den Luftpolstern 34, 35 die Abstände a, b und c regelbar sind. In Figur 5 ist eine Ausführung gezeigt, bei der an einer Traversierschiene nur der Mikrowellenresonator 12 traversierend bewegbar ist.
Das Referenzelement 13 wird in diesem Fall von einem bahnbreiten Referenzelement gebildet, über das die Faserstoffbahn geführt wird. Diese kann eine Führungswalze oder eine anderes beliebiges Führungselement sein. Das Einkoppelelement 12 ist, wie in Fig 4a gezeigt beweglich gelagert, sodass der Abstand zur Faserstoffbahn geregelt werden kann.
Der Sensor zur Messung der Feuchtigkeit ist in den Figuren 4a bis 4b und Figur 5 nicht dargestellt ist aber ebenfalls an der Traversiervorrichtung 2.1 , 2.2, 44 oder 45 angebracht und wird synchron mit dem Flächengewichtssensor bewegt. Wird eine Anordnung wie in Figur 5 gezeigt gewählt, muss auch ein Element des Feuchtigkeitssensors bahnbreit ausgeführt sein. Das kann beispielsweise eine bahnbreite IR-Lichtquelle 1 1 sein.
Bezugszeichenliste
1 Streichmaschine
2.1 ; 2.2 Traversiervorrichtung
3 Auftragswalzen
Trockenzylinder
5 Umlenkvorrichung
6 Materialbahn
7 Auftragsmedium
7a Auftrag Oberseite
7b Auftrag Unterseite
8, 9 Strahlungstrockner
10 IR -Sensor
1 1 IR- Lichtquelle
12 Einkoppelelement
13 Referenzelement
30 Mikrowellensensor
31 Permittivität von Wasser
32 Permittivitat von Fasern
33 Basisgewichtsänderung
34 erste Luftkissen
35 zweite Luftkissen
37 Mikrowelle
40 Trägerelement
41 Trägerelementführung
42 Düsenöffnungen
43 Abstandsmessmittel
44 Traversiervorrichtung - O-Rahmen
45 Traversiervorrichtung - Schiene a/b Abstand
c Abstand

Claims

Patentansprüche
Messsystem zur Bestimmung des flächenbezogenen Trockengewichts eines auf eine bewegte Materialbahn (6) aufgetragenen flüssigen oder pastösen Auftragsmediums, insbesondere auf eine Faserstoffbahn (6) in einer Papier-, Karton- oder Streichmaschine, umfassend wenigstens zwei Messvorrichtungen zwischen denen die Materialbahn (6) zumindest einseitig beschichtbar, wobei die Messvorrichtungen jeweils eine Traversiervornchtung (2.1 , 2.2) mit je mindestens einem Sensor umfassen, wobei jeweils zumindest ein Sensorelement (9, 10, 1 1 , 12) der Sensoren mittels der Traversiervorrichtungen (2.1 , 2.2) quer zur Bahnlaufrichtung bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede Traversiervornchtung (2.1 , 2.2) einen ersten Sensor zur Messung der Feuchtigkeit (10, 1 1 ) und einen zweiten Sensor zur Messung des Flächengewichtes (12, 13) umfasst und mittels einer Mess- und/oder Auswerteelektronik aus den Messwerten das Trockengewicht des Auftragsmediums ermittelt wird.
Messsystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Sensor für einen Betrieb im Nahe-Infra-Rot-Bereich (NIR) ausgelegt ist.
Messsystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Sensor aus einer IR— Lichtquelle (1 1 ) und einem IR-Sensor (10) besteht, die synchron quer zur Bahnlaufrichtung bewegbar sind.
Messsystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Sensor ein Mikrowellensensor (12, 13) ist. Messsystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mikrowellensensor aus einem Einkoppelelement (Mikrowellenresonator) (12) und einem Referenzelement (13) besteht.
Messsystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest das Einkoppelelement (12) berührungsfrei gegenüber der laufenden Materialbahn (6) an der jeweiligen Traversiervornchtung (2.1 , 2.2) angeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest das Einkoppelelement (12) berührungsfrei gegenüber der laufenden Materialbahn (6) an der jeweiligen Traversiervornchtung (2.1 , 2.2) angeordnet und das Referenzelement (13) bahnbreit ausgeführt ist.
Papier-, Karton- oder Streichmaschine mit einem Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Regelung des flächenbezogenen Trockengewichts eines auf eine bewegte Materialbahn (6) aufgetragenen flüssigen oder pastösen Auftragsmediums, insbesondere auf eine Faserstoffbahn (6) in einer Papier-, Karton- oder Streichmaschine, umfassend wenigstens zwei Messvorrichtungen, zwischen denen die Materialbahn (6) zumindest einseitig beschichtet wird, wobei die Messvorrichtungen jeweils eine Traversiervornchtung (2.1 , 2.2) mit je mindestens einem Sensor umfassen, wobei jeweils zumindest ein Sensorelement (9, 10, 1 1 , 12) der Sensoren mittels der Traversiervorrichtun- gen (2.1 , 2.2) quer zur Bahnlaufrichtung bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das an jeder Traversiervorrichtung (2.1 , 2.2) mit einem ersten Sensor (10, 1 1 ) die Feuchtigkeit und mit einem zweiten Sensor (12, 13) das Flächengewicht gemessen wird und daraus in einer Mess- und/oder Auswerteelektronik das flächenbezogene Trockengewicht ermittelt und geregelt wird.
10) Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Erreichung des flächenbezogenen Trockengewichts zumindest einer der folgenden Parameter geregelt wird:
Auftragsmenge auf die Materialbahnoberseite
Auftragsmenge auf die Matetrialbahnunterseite
Trockenleistung einer Trockenvorrichtung zur Trocknung der Materialbahnoberseite
Trockenleistung einer Trockenvorrichtung zur Trocknung der Materialbahnunterseite.
1 1 ) Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auftragsmenge und die Trockenleistung in Maschinenquerrichtung zonenweise geregelt werden.
12) Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Feuchtigkeit mit einem Nahe-Infra-Rot-Bereich-Sensor (10, 1 1 ) (NIR) gemessen wird.
13) Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Flächengewicht mittels eines Mikrowellensensors (10, 1 1 ) gemessen wird.
14) Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen jeweils zwei Traversiervorrichtungen (2.1 , 2.2) jeweils auf eine Materialbahnoberfläche ein flüssiges oder pastöses Auftragsmedium (7) aufgetragen wird und die flächenbezogenen Trockengewichte je Auftragsseite mittels der Mess- und/oder Auswerteelektronik das flächenbezogene Trockengewicht ermittelt werden.
15) Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Materialbahnoberflächen der Materialbahn (6) zwischen zwei Tra- versiervorrichtungen (2.1 , 2.2) gleichzeitig beschichtet wird und die flächenbezogenen Trockengewichte je Auftragsseite mittels der Mess- und/oder Auswerteelektronik dadurch bestimmt werden, dass das Gesamttrockengewicht durch die Aufteilung mittels eines repräsentierenden Aufteilungswerts aufgeteilt wird.
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