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 ε _Γ . Dargestellt ist der Verlauf der Permittivitäten ε _Γ 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 (ε _Γ p _ap ier ~ 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 ε _Γ von Wasser jedoch stark von der Frequenz ab. Erst ab Frequenzen > 20 GHz liegt die Permittivität ε _Γ 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