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.
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.
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.
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.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Verbesserungen in der Einstellung zumindest des Querprofils der Faserorientierung vorzuschlagen und eine zugehörige Anordnung zu schaffen.
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.
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.
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.
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
Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
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.
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.
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.
Durch die so konzipierte Kamera 11 ist die gleichzeitige, aber voneinander unabhängige Messung der Querprofile von verschiedenen Papiereigenschaften möglich und zwar insbesondere von
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.