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Dokumentenidentifikation DE10211382A1 02.10.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Qualität von Papier auf einer Papierbahn
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
DE-Anmeldedatum 14.03.2002
DE-Aktenzeichen 10211382
Offenlegungstag 02.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse G01N 21/49
Zusammenfassung Die Erfindeung besteht im Wesentlichen darin, dass durch eine mehrfache optische Messung die Stoffverteilung eines Gegenstands gemessen wird, wobei einer Anordnung, bestehend zumindest aus einem zu untersuchenden Gegenstand, einer Lichtquelle und einem Detektor, verschiedene Bestrahlungsgeometrien und Anordnungsgeometrien erlaubt sind und somit unterschiedliche Eindringtiefen der Lichtstrahlen in den zu untersuchenden Gegenstand realisiert werden können.
Es ergeben sich die Vorteile, dass auch während des Betriebs des zu untersuchenden Gegenstands anhand der unterschiedlichen Eindringtiefen der Lichtstrahlen in den zu untersuchenden Gegenstand mehrere Rückschlüsse über die in dem Gegenstand vorhandene Stoffverteilung gewonnen werden können.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Qualität von Papier auf einer Papierbahn.

In der Papierproduktion ist die Festigkeit der produzierten Papiere ein wesentliches Qualitätsmerkmal. In der Regel erhöht die Zugabe von Stärke in das Papiermaterial die Festigkeit des Papiers. Dabei ist der Einfluss der Stärke bis auf 40% der endgültigen Papierfestigkeit bei einem gegebenen Grammgewicht durchaus üblich. Dabei kann durch Zumischen von Stärke in die Fasersuspension des Papiers ein Stärkeeintrag erreicht werden oder durch einen gleichmäßig verteilten Druck auf die Papierbahn mit einer Leimwalze welche mit Stärke beschichtet ist. Die Papierqualität kann allerdings nicht beliebig durch Stärkeeintrag gesteigert werden.

Insbesondere wird das Auffinden des optimalen Stärkeeintrags, dass sich bei gegebener Faserqualität, Faseranordnung und Dichte einer ungeleimten Papierbahn ergibt, durch die Unkenntnis des Stärkeprofils behindert. Somit bleibt, insbesondere bei der Verwendung einer Leimpresse, unbekannt ob die eingetragene Stärke sich im ganzen Papierquerschnitt verteilt oder nur an der Oberfläche sitzt.

Bisher wurde nur der gesamte Stärkeeintrag in das Papier über den Stärkeverbrauch gemessen, welcher z. B. durch intelligente Softwareverfahren mit der Endqualität korreliert und geregelt werden kann. Die beobachteten Einflüsse des Stärkeprofils bleiben während der Produktion aber unzugänglich. Es ist jedoch denkbar, das Stärkeprofil Off-Line z. B. durch Analyse von Querschnitten zu bestimmen, allerdings ist dieses für eine Maschinenregelung unvorteilhaft, da der Prozess durch die Analyse etwa abgebremst oder sogar aufgehalten werden müsste.

Aus dem aus [1] bekannten Verfahren werden bereits unter den Einsatz von chemometrischen Verfahren zur Spektrenauswerten, welcher aus [2] bekannt ist, im nahen Infrarotbereich Bestriche und Inhaltsstoffe von Papieren bestimmt.

Nachteilig bei dem oben genannten Verfahren ist jedoch, dass die Eindringtiefe der Strahlungen zur Messung der Stoffverteilung im Papier nicht ausreichend ist. Somit besteht keine Möglichkeit, die tatsächliche Stoffverteilung im Papier zu messen und mit dieser Information die Zugabe von Stärke optimal zu kontrollieren.

Bei dem aus [3] und [4] bekannten Verfahren wird im Infrarotbereich die Stoffzusammensetzung von chemischen Gemischen bestimmt.

Das Verfahren haben zum Nachteil, dass im mittleren Infrarotbereich bislang nur sehr kurze Glasfaserstrecken zur Ein- und Auskopplung realisiert werden können. Im nahen Infrarotbereich dagegen sind längere Einkopplungsstrecken möglich, allerdings kann die Auswertung und Bestimmung von Stärkekonzentrationen in diesem Fall nur anhand komplizierter Auswerteverfahren erreicht werden. In beiden Fällen wird nur die Konzentration und nicht die Konzentrationsverteilungen bestimmt.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei dem/der ein Stoffverteilungsprofil in einer Papierbahn durch eine On-Line Messung und einer einfachen Auswertung von Messgrößen möglich ist.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren sowie durch die Anordnung mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst.

Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass durch eine mehrfache optische Messung die Stoffverteilung eines Gegenstands gemessen wird, wobei für eine Anordnung, bestehend zumindest aus einem zu untersuchenden Gegenstand, einer Lichtquelle und einem Detektor, verschiedene Bestrahlungsgeometrien und Anordnungsgeometrien erlaubt sind und somit unterschiedliche Eindringtiefen der Lichtstrahlen in den zu untersuchenden Gegenstand realisiert werden können.

Es ergeben sich die Vorteile, dass auch während des Betriebs des zu untersuchenden Gegenstands anhand der unterschiedlichen Eindringtiefen der Lichtstrahle in den zu untersuchenden Gegenstand, mehrere Rückschlüsse über die in dem Gegenstand vorhandene Stoffverteilung gewonnen werden können.

Beim Verfahren zur Messung einer Stoffverteilung in einem Gegenstand, wird eine Stoffverteilungsmessung anhand einer oder mehreren optischen Messungen mittels mindestens einer Lichtquelle, einem zu messenden Gegenstand und mindestens einem Detektor erreicht. Dabei sendet die Lichtquelle oder senden die Lichtquellen einen Lichtstrahl oder Lichtstrahlen über einen oder mehrere Gegenstände zu einem oder mehreren Detektoren. Der Fokus und Einfallswinkel der Lichtstrahlen wird derart variiert, dass unterschiedliche Eindringtiefen des Lichtstrahls oder der Lichtstrahlen in den zu untersuchenden Gegenstand erreicht werden.

Die Erfindung wird optimal bei der Messung einer Stoffverteilung in einer Papierbahn eingesetzt.

In einer Weiterbildung wird von einem oder mehreren Detektoren diffus reflektiertes Licht detektiert.

Eine weitere Möglichkeit zum Erreichen unterschiedlicher Eindringtiefen besteht darin, dass ein weiterer Gegenstand hinter dem zu untersuchenden Gegenstand die durch den zu untersuchenden Gegenstand gelaufenen Lichtstrahlen wieder an den zu untersuchenden Gegenstand reflektiert, und dieser reflektierte Lichtstrahl durch den zu untersuchenden Gegenstand zu einem Detektor läuft.

Das Verfahren kann ferner derart ausgeführt werden, dass der Lichtstrahl oder die Lichtstrahlen über Glasfaser gesendet werden.

Die für das Verfahren optimal eingesetzten Frequenzen sind im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Bei der Vorrichtung zur Messung einer Stoffverteilung in einem Gegenstand, steht ein zu untersuchender Gegenstand im Lichtstrahlweg zwischen einer Lichtstrahl-Quellenanordnung und einer Detektorenanordnung, wobei sowohl die Einfallswinkel auf den zu untersuchenden Gegenstand als auch der Fokus der Lichtstrahlen variierbar sind und mehrere zeitlich voneinander getrennte Messungen ausführbar sind.

Die Quellen-Detektoranordnung kann vorteilhafterweise Teil eines Spektrometers oder ein Spektrometer sein.

Die Quellen-Detektorenanordnung ist vorzugsweise mittels Glasfaser zur Übertragung von Lichtstrahlen direkt oder nahezu an den Gegenstand verbunden.

Zur Detektion von diffus reflektierten Lichtkomponenten eignet sich optimal eine Detektorglocke.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Sensoranordnung mit nur einer Quelle, wobei die Messung in Transmission oder mit Reflektion erfolgt, und

Fig. 2 jeweils zwei Sensoren und Quellen wobei die Einfallswinkel auf das Papier der von den Quellen abgegebenen Strahlen unterschiedlich sind, und

Fig. 3 eine Reflektion sowohl an einer Papierwalze als auch an der Papieroberfläche, und

Fig. 4 die Messung von zwei Reflektionskomponenten aus einer Quelle, jeweils diffus und fokussiert, und

Fig. 5 eine Messung mit variierbaren Strahlungsfokus, und

Fig. 6 ein hypothetisches Modell einer Stärkekonzentration im Papier als Funktion des Querschnitts durch eine Papierbahn, mit Pfeilen zur Darstellung von unterschiedlichen Eindringtiefen von Strahlen.

In den Fig. 1 bis 5 ist durchgehend eine Papierbahn mit 1, Infrarotquellen mit 2, und Detektoren mit 3 dargestellt. In Fig. 1 ist eine Quelle-Detektoranordnung dargestellt, welche in Transmission ein integrales Maß der chemischen Komponenten durch die ganze Bahn misst. Dabei wird ein Signal von der Quelle 2 auf der rechten Seite abgegeben, welcher zunächst teils von der Papierbahn 1 absorbiert und/reflektiert oder durchgelassen (Transmission) wird. Diese Strecke durch die Papierbahn ist mit dem gestrichelten Teil des linken Pfeils dargestellt. Die durchgelassenen Lichtkomponenten werden dann vom Detektor 3 erfasst.

Eine Variante dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass eine Quelle 2 einen Infrarotstrahl abgibt, und die Lichtkomponenten dieses Strahls über eine Reflektion von der Papierbahn 1 von einem Detektor 3 gemessen werden.

Die beiden Anordnungen können einzeln oder zusammen verwendet werden.

In Fig. 2 werden zwei Lichtstrahlen von zwei Quellen 2 von der Papierbahn 1 reflektiert, wobei die reflektierten Lichtkomponente der Strahlen von zwei Detektoren erfasst werden. Dabei sind die Einfallswinkel der Lichtstrahlen von den Quellen 2 unterschiedlich, so dass unterschiedliche Eindringtiefen in das Material der Papierbahn 1 erreicht werden.

In Fig. 3 wird ein Lichtstrahl von einer Quelle 2 abgegeben und sowohl an der Papieroberfläche als auch an einer Walze einer Papiermaschine 4 reflektiert. Das Reflektionssignal an der Walze 4 entspricht dem Transmissionssignal aus Fig. 1, wobei jedoch der Strahl von der Quelle 2 zumindest zweimal durch die Papierbahn 1 läuft und anschließend diese Transmissionskomponente von einem oder mehreren Detektoren 3 erfasst werden. Der Strahl aus 2 kann also teils von der Papierbahn 1 reflektiert werden und teils durch die Papierbahn 1 laufen und von der Walze 4 reflektiert werden. Die Walze 4 fungiert also ähnlich wie ein Spiegel oder einem Gegenstand mit einer glatten, reflektierenden Oberfläche.

In Fig. 4 wird einer aus der Quelle 2 abgegebener Lichtstrahl von der Papierbahn 1 derart reflektiert, dass direkte, reflektierte Lichtkomponente im Detektor 3 und diffus reflektierte Lichtkomponente, dargestellt anhand gestrichelte Pfeile und Halbkreise, in einer Detektorglocke 5 registriert werden. Der Detektor 5 kann dabei aus mehreren Detektoren bestehen. Im Vergleich zur direkt reflektierten Lichtkomponente ist die diffuse Reflektion Nachweis einer anderen Eindringtiefe in die Papierbahn 1 und kann somit zur weiteren, ergänzenden Auswertung der Stoffverteilung in der Papierbahn verwendet werden.

In Fig. 5 wird der Fokus des reflektierten Lichtstrahls aus der Quelle 2 verändert, wodurch ebenfalls unterschiedliche Eindringtiefen des Lichtstrahls in die Papierbahn I erreicht werden, und die daraus resultierenden, unterschiedlichen, reflektierten Lichtkomponenten vom Detektor 3 erfasst werden können. Dabei können auch zwei Quellen 2 mit unterschiedlichem Fokus verwendet werden.

Die Lichtstrahlquellen und Detektoren können Teil eines Spektrometers sein. Dabei können die Quellen eine Glasfaserauskopplung aus einem Spektrometer mit festen Linsen aufweisen, welche in direktem oder nahezu direktem Kontakt mit der Papierbahn sind. Die Detektoren dagegen können dabei eine Glasfasereinkopplung in das Spektrometer aufweisen.

Als Wellenlängen der verwendeten Strahlungen kommen in allen Ausführungsbeispielen der sichtbare, infrarote oder ultravioletten Bereich des Spektrums in Frage.

Die Detektoren sind dabei zu einer Detektion der Energie der in den Detektoren 3 eintreffenden Photonen und/oder deren Intensität fähig.

Grundsätzlich sind die oben genannten Anordnungen so zu gestalten, dass zumindest die Detektoren mit einer Auswerteeinheit, bspw. mit einem Rechner, verbunden sind. Ein in der Rechnereinrichtung gespeichertes Computerprogramm ist in der Lage, die Informationen, wie z. B. Energie oder Intensität von eintreffenden Photonen, aus den Detektoren auszuwerten, wobei es denkbar ist, dass verschiedene Computerprogramme für verschiedene Detektoren verwendet werden können.

Anhand der oben genannten Anordnungen kann eine Auswertung nach folgender Art, dargestellt in Fig. 6, stattfinden.

In Fig. 6 ist eine Kurve gezeigt, welche die Stärkekonzentration von Papier c in einer Papierbahn als Funktion des Querschnitts Q der Papierbahn angibt. Die Eindringtiefen der Strahlung in das Papier bei zwei verschiedenen Sensoranordnung werden anhand der horizontalen Pfeilen d1 und d2 gezeigt. Dabei können die Detektor-Sensoranordnungen für die Eindringtiefen d1 und d2 jeweils aus einem oder mehreren Detektor-Sensoranordnungen bestehen. Bei Eindringtiefe d1 wird im mittleren Infrarotbereich die Stärkekonzentration zu einer Intensität I1 der relevanten Stärkepeaks in den Absorptionsspektren führen, d2 dagegen zu I1 + I2. Somit ist I1, im Falle des mittleren Infrarotbereichs, proportional zur mittleren Konzentration c1 des Stärkegehalts in der Randschicht d1. I2 ist dagegen proportional zum mittleren Stärkegehalt in der mittleren Zone c2 zwischen den Begrenzungen d1 und d2.

Somit kann ohne Verwendung von weiteren Referenzmessungen als Maß für die Verteilung des Stärkegehalts der Papierbahn das Verhältnis R der beiden Spektren nach folgender Art gebildet werden:



R = (I1/I2) + (c1/c2)



wobei I1/I2 annähernd 1 sein dürfte, so dass



(c1/c2) = (R - 1)



hält.

Im Rahmen dieses Dokuments sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] Quantitative Analysis of Paper Coatings using Artificial Neural Networks, L. Dolmatova et al., Chemometrics and intelligent Laboratory Systems 36 (1997) pgs. 125-140

[2] Chemometrie, M. Otto, Weinheim: VCH, 1997

[3] Partial Least Squares Regression: A Tutorial; P. Geladi, B. R. Kowalski; Analytica Chimia Acta, 185 (1986) 1-17

[4] CROSS - Validatory Estimation of the Number of Components in Factor and Principal Component Models, S. Wold; Techometrics, Vol. 20, No. 4, Nov. 1978.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Messung einer Stoffverteilung in einem Gegenstand, bei dem

    die Stoffverteilungsmessung anhand einer oder mehreren optischen Messungen mittels mindestens einer Lichtquelle, einem zu messenden Gegenstand und mindestens einem Detektor erfolgt,

    die Lichtquelle oder Lichtquellen einen Lichtstrahl oder Lichtstrahlen über einen oder mehrere Gegenstände zu einem oder mehreren Detektoren sendet,

    der Fokus und Einfallswinkel der Lichtstrahlen derart variiert werden, dass unterschiedliche Eindringtiefen des Lichtstrahls oder der Lichtstrahlen in den zu untersuchenden Gegenstand erreicht werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Messung der Stoffverteilung einer Papierbahn ausgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem von einem oder mehreren Detektoren diffus reflektiertes Licht detektiert wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein weiterer Gegenstand hinter dem zu untersuchenden Gegenstand die durch den zu untersuchenden Gegenstand gelaufenen Lichtstrahlen wieder an den zu untersuchenden Gegenstand reflektiert, und dieser reflektierte Lichtstrahl durch den zu untersuchenden Gegenstand zu einem Detektor läuft.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Lichtstrahl über Glasfaser gesendet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein sichtbarer, infraroter oder ultravioletter Lichtstrahl eingesetzt wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Messung einer Stoffverteilung in einem Gegenstand, bei der

    ein zu untersuchender Gegenstand im Lichtstrahlweg zwischen einer Lichtstrahl-Quellenanordnung und einer Detektorenanordnung steht,

    sowohl die Einfallswinkel auf den zu untersuchenden Gegenstand als auch der Fokus der Lichtstrahlen variierbar sind,

    mehrere zeitlich voneinander getrennte Messungen ausführbar sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Quellen- Detektoranordnung Teil eines Spektrometers ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Quellen- Detektorenanordnung mittels Glasfaser zur Übertragung von Lichtstrahlen direkt oder nahezu an den Gegenstand verbunden ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der einer der Detektoren eine Detektorglocke ist.






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