VERFAHREN ZUR ERFASSUNG UND BEEINFLUSSUNG DER QUERPROFILE BESTIMMTER EIGENSCHAFTEN VON PAPIERBAHNEN UND ZUGEHÖRIGE ANORDNUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung und Beeinflussung der Querprofile bestimmter Eigenschaften von Papierbahnen, wie insbesondere Faserorientierung bzw. Formation, Opazität, Flächengewicht und/oder Schrumpfung. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verwendung bei Papiermaschinen.

[0002] Für die Qualität von Papier ist unter anderem die Gleichmäßigkeit der Papiereigenschaften quer zur Produktionsrichtung maßgeblich. Die ortsabhängigen Verläufe der Papiereigenschaften quer zur Produktionsrichtung werden Querprofile genannt. Die Überwachung und Regelung der Papiereigenschaften erfordern eine Messung dieser Querprofile.

[0003] Aus der EP-A-0 408 894 ist ein Verfahren zur Regelung und online-Messung der Faserorientierung in einer fotlaufbenden Papierbahn einer Papiermaschine bekannt, bei der ein Querprofil der Faserorientierung als Sollwert vorgegeben wird, das Flächengewicht fortlaufend gemessen wird und durch Änderung des lokalen Flächengewichtes das Querprofil der Faserorientierung an die Sollwertkurve angepaßt wird. Somit kann das Querprofil der Faserorientierung durch Steuerung der Einstellspindeln am Stoffauflauf unter Veränderung des Flächengewichtes des Papiers optimiert. Weiterhin ist aus der JP-A-3037556 eine Anordnung zur Messung der Papierqualität bekannt, bei dem die Faserorientierung optisch gemessen, die Videobilder digitalisiert werden und durch eine Frequenzanalyse der Digitalbilder eine Meßkurve für das Verhältnis der Faseranteile in Papierlaufrichtung und Papierquerrichtung erhalten wird.

[0004] Bei Anpassung des Querprofils der Faserorientierung an eine ideale Sollkurve ergeben sich also zwangsläufig bisher störende Änderungen im Flächengewicht. Angestrebt wird, die einzelnen Eigenschaften der Papierbahn unabhängig voneinander zu optimieren. Gemäß der Veröffentlichung "Das Papier" (1993), Nr. 10A, S. V150 - V155, sind dafür neuartige Aktoren entwickelt, die unmittelbar am Stoffauflauf eingreifen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, Verbesserungen in der Einstellung zumindest des Querprofils der Faserorientierung vorzuschlagen und eine zugehörige Anordnung zu schaffen.

[0006] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest die Faserorientierung fortlaufend quantitativ gemessen und zur Regelung des Querprofils der Faserorientierung über die Papierbahn beim Betrieb einer Papiermaschine herangezogen wird, wobei das Querprofil der Faserorientierung unabhängig vom Querprofil des Flächengewichtes beeinflußt wird. Gegebenenfalls werden neben der Faserorientierung gleichzeitig Formation, Opazität, Flächengewicht und/oder Schrumpfung gemessen und deren Querprofile bestimmt. Dazu wird vorzugsweise ein über die Papierbahn traversierender Meßkopf verwendet, der neben spezifischen Sensoren eine optische Kamera aufweist. Eine solche Kamera ist insbesondere eine sogenannte CCD-Kamera.

[0007] Durch ein geeignetes Auswerteverfahren von fortlaufenden Kameraaufnahmen der Papierbahn mittels Mustererkennungsverfahren od. dgl. wird nunmehr direkt eine insbesondere für die Faserorientierung der Papierbahn signifikante Meßgröße erhalten, aus der durch Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwertprofil ein Regelsignal ableitbar ist. Damit können im Gegensatz zum angegebenen Stand der Technik komplette Faserorientierungsquerprofile ausgeregelt werden.

[0008] Bei der zugehörigen Anordnung wird mit den vom Meßkopf erhaltenen Signalen ein Regelkreis für die Faserorientierung zur Regelung des Faserorientierungsquerprofils am Stoffauflauf der Papiermaschine betrieben, wobei ein solcher Regelkreis aus einem sogenannten Formationsregler, einer Einheit zum sogenannten Mapping der Papierbahn, einer Regelstrecke und einer Einheit mit zugehöriger Sensorik gebildet.

[0009] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Ansprüchen. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung

Figur 1

die Draufsicht auf eine Papierbahn mit einem zugehörigen Meßkopf zur Vermessung,

Figur 2

in Seitenansicht das Prinzip einer Lichttransmissionsmessung mit zusätzlicher Lichtquelle,

Figur 3

ein Diagramm zur Definition der Faserorientierung bei Papierbahnen sowie der diesbezüglichen Meßgröße und

Figur 4

ein Blockschaltbild eines Formationsregelkreises.

[0010] Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

[0011] In Figur 1 und Figur 2 kennzeichnet 1 eine Papierbahn mit der Breite b, welche sich vom Stoffauflauf einer in den Figuren nicht im einzelnen dargestellten Papiermaschine in x-Richtung als Papierlaufrichtung bewegt. Die Breite b der Papierbahn 1 kann zwischen 3 und 10 m liegen und insbesondere 5 m betragen. Die Geschwindigkeit der Papierbahn in x-Richtung beträgt beispielsweise 1500 m/min. Auf der Papierbahn 1 befindet sich berührungslos im Abstand ein Meßkopf 10. In dem Meßkopf 10 sind alle Sensoren zur Messung der Papiereigenschaften räumlich zusammengefaßt.

[0012] Zur Erfassung von Querprofilen bestimmter Eigenschaften der Papierbahn 1 wird der Meßkopf 10 über die fertige Papierbahn 1 unmittelbar vor derem Aufwickeln zu einem Coil hin- und herbewegt. Der Meßkopf 10 führt also eine mit der Zeit t traversierende Bewegung aus. Wegen der Relativbewegung der Papierbahn 1 in x-Richtung legt der Meßkopf 10 insgesamt einen zickzackförmigen Weg auf der Papierbahn 1 zurück.

[0013] Üblicherweise beinhaltet der Meßkopf 10 eine Mehrzahl von vom Stand der Technik bekannten Sensoren, auf die hier nicht im einzelnen eingegangen wird. Zu den im Meßkopf 10 bereits vorhandenen Sensoren ist speziell eine optische Kamera 11 hinzugefügt. Als optische Kamera wird vorteilhafterweise eine sogenannte CCD-Kamera (charge coupled device) mit elektronischen Speichern verwendet.

[0014] Durch die so konzipierte Kamera 11 ist die gleichzeitige, aber voneinander unabhängige Messung der Querprofile von verschiedenen Papiereigenschaften möglich und zwar insbesondere von

• Faserorientierung
• Formation
• Opazitat und Flachengewicht
• Schrumpfung.

[0015] Im einzelnen haben die angegebenen Eigenschaften folgende Bedeutung: Die Faserorientierung ist wesentlich für den Grad der Faservernetzung in der Papierbahn. Da die Faservernetzung die Festigkeit der Papierbahn 1 bestimmt, ist man oft bestrebt, einerseits eine gute und andererseits eine gleichmäßige Faservernetzung zu erreichen. In bestimmten Fallen möchte man der Faserorientierung auch eine Vorzugsrichtung geben, um so bestimmte mechanische Eigenschaften zu erzielen. Dazu muß die Faserorientierung im einzelnen lokal auf der Papierbahn 1 erfaßt und beeinflußt werden.

[0016] Mit einer Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 wird eine verwertbare Messung der Faserorientierung anhand einer Kameraaufnahme erreicht. Damit ergibt sich ein Bild an der jeweiligen Meßstelle. Durch eine geeignete Auswertung läßt sich die Faserorientierung quantitativ messen und beispielsweise ein Anisotropiefaktor definieren.

[0017] In Figur 3 ist ein Meßergebnis für eine Papierbahn mit mittlerer Faserorientierung dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse der Winkel der Faserorientierung und auf der Ordinate die relative Häufigkeit aufgetragen. Der Winkel von 90° zeigt hierbei in Laufrichtung der Maschine (MR), die Winkel 0 und 180° zeigen in die diesbezügliche Querrichtung (QR) also senkrecht dazu. Der Anisotropiefaktor ergibt sich als Verhältnis der Häufigkeit in Maschinenrichtung MR zur Häufigkeit in Querrichtung QR. Ist die Faserorientierung für alle Winkel gleich, ergibt sich ein Anisotropiefaktor von 1. Im Beispiel der Figur 3 liegt der Anisotropiefaktor > 1, bei; spielsweise 1,5, was bedeutet, daß eine Vorzugsrichtung der Faserorientierung in Laufrichtung der Papierbahn 1 besteht.

[0018] Um ein für Regelzwecke verwertbares Signal zu erhalten, muß der Faserorientierung fortlaufend und quasi-kontinuierlich gemessen werden. In vorteilhafter Weise wird der Grad der Faserorientierung und/oder -vernetzung durch eine an der Kameraaufnahme lokal durchgeführte Mustererkennung bestimmt. Dafür eignen sich beispielsweise neuronale Netze.

[0019] Als Formation wird dagegen die kleinflächige uneinheitliche Verteilung der Fasermasse in der Papierbahn 1 mit stellenweise Anhäufung bzw. Verdünnung bezeichnet. In der Praxis kann sie aufgrund einer sog. Wolkigkeit bei der Durchsicht des Papiers vor einer hell leuchtenden Fläche beurteilt werden. Die Formation kann also ebenfalls optisch erfaßt werden, wobei ein Zusammenhang mit der Faserorientierung bestehen kann.

[0020] Als Opazität wird die Durchscheinbarkeit von Papier bezeichnet. Sie wird durch eine Lichttransmissionsmessung bestimmt, bei der die Intensität des durch das Papier hindurchgedrungenen Lichtes gemessen wird. Für diese Messung wird gegenüber der Kamera 11 auf der anderen Papierseite der Papierbahn 1 eine Lichtquelle angebracht. Letzteres ist im einzelnen aus Figur 2 ersichtlich, daß der Meßkopf 10 mit der Kamera 11 hin- und hertraversiert und eine Einheit 15 mit einer Lichtquelle unterhalb der Papierbahn 1 entsprechende traversierende Bewegungen ausführt.

[0021] Als Flächengewicht bezeichnet man die flächenbezogene Masse der Papierbahn 1, wobei diese Größe in g/m² angegeben wird. Auch das Flächengewichtsquerprofil kann bei durchscheinendem Papier ebenfalls durch eine Lichttransmissionsmessung mit der Kamera 11 bestimmt werden. Üblicherweise wird nicht der Absolutwert des Flächengewichtes erfaßt, sondern nur der mittelwert freie Verlauf des Flächengewichtsquerprofils anhand der Helligkeitsschwankungen wiedergegeben.

[0022] Die Schrumpfung ergibt sich zwangsläufig bei der Papierherstellung: Im Trocknungsbereich der Papiermaschine wird der Papiermasse Wasser entzogen, indem die Papierbahn 1 über mit Dampf beheizte Metallwalzen geführt wird. Durch die Trocknung kann sich eine ungleichmäßige Schrumpfung der Papierbahn 1 über seine Breite b ergeben. Wenn sich die Stellglieder für Flächengewicht und Faserorientierung vor der Trocknungspartie befinden, verändert die Schrumpfung unerwünschterweise die Wirkungsorte dieser Stellglieder.

[0023] Eine Regelung des Faserorientierungsquerprofils an der Papierbahn 1 erfordert die Kenntnis über die Zuordnung jedes Stellgliedes zu seinem Wirkungsort im fertigen Papier. Diese Zuordnung wird üblicherweise "Mapping" genannt. Durch die traversierende Kamera 11 kann insgesamt ein Bild über die gesamte Breite der Papierbahn 1 erzielt werden. In stochastischen Unregelmäßigkeiten auf der Oberseite der Papierbahn 1 ist der Abdruck von regelmäßigen Siebmarkierungen enthalten.

[0024] In der Veröffentlichung "Das Papier" (1990), Nr. 10, S. 529 - 537, ist im einzelnen eine Methodik zur Bestimmung des Schrumpfungsquerprofils beschrieben: Eine zweidimensionale schnell Fourier-Transformation (FFT = fast fourier transformation), die auf die Bildpunkte der Papieroberseite angewendet wird, liefert deutlich die zu den Siebmarkierungen gehörigen Spektrallinien. Eine Rücktransformation dieser Spektrallinien ergibt die unverrauschte Siebstruktur auf der geschrumpften Papierbahn 1. Durch Vergleich mit der bekannten Geometrie der Siebmarkierungen erhält man das Schrumpfungsquerprofil. Das Schrumpfungsprofil kann z.B. dafür verwandt werden, um das Mapping durchzuführen.

[0025] Bei bisher verwendeten Stoffaufläufen wird üblicherweise keine unabhängige Regelung von Flächengewichts- und Faserorientierungsprofil durchgeführt. Man beschränkt sich auf die Regelung des Flächengewichtes als der wichtigeren der beiden Größen. Wegen steigender mechanischer Beanspruchungen beim Verarbeiten und Benutzen von Papier hat sich neuerdings die Forderung sowohl nach einem möglichst gleichmäßigen als auch auf Wunschwerte einstellbaren Faserorientierungsquerprofil verstärkt. Bei den in der eingangs genannten Veröffentlichung vorhandenen Stellgliedern für die Vorgabe der Faserorientierung wird das Querprofil nicht geregelt, sondern werden die einzelnen Stellglieder ohne direkte Rückkopplung eingestellt. Dafür sind im allgemeinen spezifische Erfahrungswerte notwendig.

[0026] Aufgrund des anhand Figur 1 und Figur 2 im einzelnen beschriebenen Meßkopfes 10 mit Kamera 11 ergibt sich bei geeignet ausgebildeten Stoffaufläufen die Möglichkeit, die genau ermittelten Querprofile unabhängig voneinander zu beeinflussen und auszuregeln. Nunmehr kann man geeignete Stellglieder zur Vorgabe des Faserorientierungsquerprofils, das entsprechend der Figur 1 und 2 gemessen und online durch Mustererkennung ausgewertet wird, verwenden. Das Vorhandensein von Stellgliedern und Sensorik ermöglicht somit den Aufbau einer Regelungeinrichtung des diesbezüglichen Querprofils für den praxisgerechten Einsatz bei Papiermaschinen.

[0027] In Figur 4 besteht ein kompletter Regelkreis 3 für die Faserorientierung im einzelnen aus einem Faserorientierungsregler 31, einer Mapping-Einheit 32, einem Stellglied 33, einer Regelstrecke 34 und einer Sensorikeinheit 35. Diese Einheiten sind jeweils nur schematisch ("black boxes") dargestellt, wobei die Signalrückführung zum Vergleichspunkt 30 erfolgt.

[0028] Durch die fortlaufende Messung der Faserorientierung ist eine Rückkopplung der ermittelten Querprofilsignale und Aufschaltung auf einen Reglervergleichspunkt 30 möglich. Dabei berücksichtigt gleichermaßen die Mapping-Funktion der Einheit 32 die durch Schrumpfung verursachte Änderung der Zuordnung von Stellglied 33 zur diesbezüglichen Stellgliedwirkung.

[0029] Insgesamt kann somit die im anderen Zusammenhang bereits vorgeschlagene Beeinflussungsmöglichkeit der Faserorientierung durch die angegebene quantitative Messung der Faserorientierung zum Aufbau einer Komplettregelung ergänzt werden. Gleichermaßen können auch die anderen signifikanten Eigenschaften bei Papierbahnen, wie Formation, Opazitat und Flachengewicht bei Berücksichtigung der Schrumpfung in den Regelvorgang eingebunden werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erfassung und Beeinflussung von Querprofilen bestimmter Eigenschaften von Papierbahnen, wie insbesondere Faserorientierung bzw. Formation, Opazität, Flächengewicht und Schrumpfung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Faserorientierung der Papierbahn fortlaufend quantitativ gemessen und zur Regelung des Querprofils der Faserorientierung über die Papierbahn beim Betrieb einer Papiermaschine herangezogen wird, wobei das Querprofil der Faserorientierung unabhängig vom Querprofil des Flächengewichtes beeinflußt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Faserorientierung und Flächengewicht gleichermaßen Formation, Opazität und Schrumpfung der Papierbahn gemessen und deren Querprofile bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein über die Papierbahn traversierender Meßkopf verwendet wird, der neben spezifischen Sensoren eine optische Kamera aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kamera eine sog. CCD-Kamera verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur quantitativen Messung der Faserorientierung und/oder Formation eine Mustererkennung der Kameraaufnahmen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustererkennung mittels neuronaler Netze erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleingriff am Stoffauflauf der Papiermaschine erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied für die Faserorientierung ein Aktor zur Formationsbeeinflussung verwendet wird.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 9 zur Verwendung bei Papiermaschinen, wobei eine Regeleinheit zur Regelung des Querprofils der Faserorientierung am Stoffauflauf der Papiermaschine vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis (3) aus einem Regler (31) für die Faserorientierung, einer Einheit (32) zum sog. Mapping der Papierbahn (1), einem Stellglied (33), einer Regelstrecke (34) und einer Einheit mit zugehöriger Sensorik (35) besteht.

10. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Faserorientierungregler (31), Einheit zum Mapping (32), Stellglied (33), Regelstrecke (34) und Sensorik (35) hintereinandergeschaltet sind und daß deren Ausgangssignal auf den Reglervergleichspunkt (30) des Regelkreises (3) zurückgekoppelt ist.

Claims

1. Method for detecting and influencing transverse sections of certain properties of paper webs, such as, in particular, fibre orientation or formation, opacity, basis weight and shrinkage, characterised in that at least the fibre orientation of the paper web is continuously quantitatively measured and used to regulate the transverse section of the fibre orientation over the paper web during the operation of a paper machine, with the transverse section of the fibre orientation being influenced independently of the transverse section of the basis weight.

2. Method according to claim 1, characterised in that in addition to the fibre orientation and basis weight, the formation, opacity and shrinkage of the paper web are also measured and the transverse sections thereof determined.

3. Method according to claim 1 or claim 2, characterised in that there is used a measuring head, which traverses over the paper web and, in addition to specific sensors, has an optical camera.

4. Method according to claim 3, characterised in that a so-called CCD camera is used as a camera.

5. Method according to claim 1 or 2, characterised in that for the quantitative measurement of the fibre orientation and/or formation, a pattern recognition of the camera pictures is carried out.

6. Method according to claim 5, characterised in that the pattern recognition takes place by means of neuronal networks.

7. Method according to claim 6, characterised in that the control intervention takes place at the headbox of the paper machine.

8. Method according to claims 7 and 8 (sic), characterised in that an actuator for influencing the formation is used as a final controlling element for the fibre orientation.

9. Arrangement for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to 9 (sic) for use in paper machines, wherein a control unit for regulating the transverse section of the fibre orientation is present at the headbox of the paper machine, characterised in that the control loop (3) comprises a controller (31) for the fibre orientation, a unit (32) for so-called mapping of the paper web (1), a final controlling element (33), a controlled system (34) and a unit having associated sensor technology (35).

10. Arrangement according to claim 11 (sic), characterised in that the fibre orientation controller (31), the unit for mapping (32), the final controlling element (33), controlled system (34) and sensor technology (35) are connected in series, and in that the output signal thereof is looped back to the control check point (30) of the control loop (3).

Revendications

1. Procédé pour détecter et influencer des profils transversaux de propriétés déterminées de bande de papier, comme notamment l'orientation des fibres ou la formation, l'opacité, le grammage et le tassement, caractérisé en ce que l'on mesure en continu quantitativement au moins l'orientation des fibres de la bande de papier et en ce que l'on en tire partie pour réguler le profil transversal de l'orientation des fibres sur la bande de papier lors du fonctionnement d'une machine à papier, le profil transversal de l'orientation des fibres étant influencé indépendamment du profil transversal du grammage.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure outre l'orientation des fibres et le grammage, de la même manière la formation, l'opacité et le tassement de la bande de papier et en ce que l'on détermine leurs profils transversaux.

3. Procédé suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise une tête de mesure qui traverse la bande de papier et qui comporte, outre des capteurs spécifiques, une caméra optique.

4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'on utilise comme caméra ce que l'on appelle une caméra CCD.

5. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour mesurer quantitativement l'orientation des fibres et/ou la formation, on effectue une reconnaissance de modèles des prises de vue de la caméra.

6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'on effectue la reconnaissance de modèles au moyen de réseaux neuronaux.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'on effectue l'intervention de régulation à l'arrivée de matériaux de la machine à papier.

8. Procédé suivant les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'on utilise comme organe réglant pour l'orientation des fibres un activateur servant à influencer la formation.

9. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé suivant la revendication 1 ou l'une des revendications 2 à 9, pour utilisation dans les machines à papier, une unité de régulation servant à réguler le profil transversal de l'orientation des fibres étant présente à l'arrivée de matériaux de la machine à papier, caractérisé en ce que le circuit (3) de régulation est constitué d'un régulateur (31) pour l'orientation des fibres, d'une unité (32) pour ce que l'on appelle le mapping de la bande (1) de papier, d'un actionneur (33), d'un système (34) réglé et d'une unité à système (35) d'analyse sensorielle associée.

10. Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le régulateur (31) d'orientation des fibres, l'unité servant au mapping (32), l'actionneur (33), le système (34) réglé et le système (35) d'analyse sensorielle sont branchés en série et en ce que leur signal de sortie est rétrocouplé au point (30) de comparaison du circuit (3) de régulation.

Zeichnung