Materialeigenschaften

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Materialeigenschaften, in einer Maschine zur Herstellung einer Materialbahn, aufweisend einen ersten Regelkreis, der mit Hilfe mindestens einem einstellbaren Mittel, zur Beeinflussung des Fasergewichts, und mindestens einem Sensor, zur Messung mindestens einer charakteristischen Materialbahneigenschaft, das Fasergewicht regelt.

Bei der Materialbahn handelt es sich vorzugesweise um eine Faserstoff bahn, insbesondere eine Tissue-, Papier- oder Kartonbahn.

Ein wesentlicher Qualitätsfaktor einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Tissu- bahn, liegt in der Gleichmäßigkeit des Flächengewichts der hergestellten Bahn.

Da bei der Herstellung einer Tissuebahn außer Faserstoff (Zellulose) und Wasser keine weiteren Stoffe in signifikanter Menge hinzugefügt werden, setzt sich das Flächengewicht aus dem Fasergewicht und dem Wassergehalt der Bahn, im nassen Zustand, zusammen und das Trockengewicht der Bahn ist gleich dem Faserge- wicht.

Aus dem Stand der Technik ist die Messung, wie auch die Regelung, des Fasergewichts, wie auch des Wassergehaltes, bekannt. Dies erfolgt in der Regel über eine radiometrische Bestimmung des Flächengewichts und einer infrarotspektroskopi- schen Messung der Materialbahnfeuchte oder des Materialbahnwassergehaltes. Beide Messverfahren sind allgemein bekannt und seit langem in der Praxis bewährt. Beispiele für die Messung und Regelung der Materialbahnfeuchte finden sich in der Patenschrift US 5, 124,552 oder in der Veröffentlichungsschrift EP 2 026 059 A1 . Diese Verfahren nutzen die charakteristische Absorption von Wasser, im infraroten Wellenlängenbereich, zur Bestimmung der Materialbahnfeuchte.

Zur Bestimmung des spezifischen Flächengewichts, Faser und Wasser, einer Materialbahn wird in der Regel ein radiometrisches Messverfahren verwendet. In der Literatur sind derartige Messeinrichtungen hinlänglich beschrieben, ein Beispiel für eine solche Messeinrichtung findet sich in der Veröffentlichungsschrift EP 0 971 215 A1 .

Die Regelung des Herstellungsprozesses einer Tissue Bahn kann aber nicht direkt auf das gemessene Flächengewicht erfolgen, sondern es ist erforderlich das Faseroder Trockengewicht zu kennen. Das Fasergewicht kann aber nur aus den bekannten Messverfahren, dem radiometrisch bestimmten Flächengewicht und der infrarot- spektroskopisch bestimmten Materialbahnfeuchte, rechnerisch bestimmt werden.

Das errechnete Fasergewicht wird in eine Regeleinrichtung übertragen, die rech- nergestützt die Stellinformationen für die entsprechenden Stellglieder ermittelt. Eine Beschreibung solcher Regeleinrichtungen mit zugehöriger Messeinrichtung ist auch aus der EP 1 054 102 A2 zu entnehmen.

Ist eine dieser Messungen nicht korrekt, wird das relevante Trockengewicht falsch berechnet und der Herstellungsprozess fehlerhaft geregelt, was zu einem komplet- ten Ausschuss der Produktion führen kann.

Ein weiterer Nachteil dieses Messverfahrens ergibt sich aus dem relativ schlechten Signal/Rausch Verhältnis bei der Messung geringer Flächengewichte. Tissuefaser- bahnen haben in der Regel ein Gesamtflächengewicht von 15 g/m ² Das reine radiometrische Rauschen der Messung kann bei den erforderlichen kurzen Mess- zeiten bis zu 1 g/m ² betragen, und erfordert daher zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Messsicherheit.

Des Weiteren ist der Einsatz radiometrischer Sensoren aus Sicht des Arbeits- und Umweltschutzes grundsätzlich problematisch und der Betrieb einer solchen Messe- einnchtung aufwendig. Neben den technischen Maßnahmen zur Abschirmung der radioaktiven Strahlung, müssen gesetzliche Vorschriften und Auflagen eingehalten werden, die einen gewissen Aufwand erfordern.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzu- zeigen, das bzw. die die beschriebenen Nachteile ausräumt.

Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst.

Demgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, in dem in einem ersten Regelkreis, zur Regelung des Fasergewichtes, ein Infrarotsensor zur Messung des Faserge- wichtes eingesetzt wird, mit dem die Absorption von Infrarotwellen durch die Fasern in der Materialbahn gemessen wird.

Der Infrarotsensor bestimmt im infrarotspektroskopischer Verfahren die für die Faserstoffe der Materialbahn charakteristische Absorption und in einer im Regelkreis enthaltende Mess- und Regeleinheit wird mit Hilfe eines applikationsspezifi- sehen Messmodels das Messsignal in die für die Regelung relevante Messgröße umgerechnet.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist ein zweiter Regelkreis vorhanden, der, mit Hilfe mindestens einem Mittel zur Beeinflussung der Materialbahnfeuchte und mindestens einem Infrarotsensor, zur Messung der Absorption von Infrarotwellen durch das Wasser in der Materialbahn, die Materialbahnfeuchte regelt.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zur Messung der charakteristischen Absorption von Infrarotwellen, durch die Fasern und das Wasser in der Materialbahn, an einer Position in der Maschine, derselbe Sensor verwendet wird. Vorzugsweise arbeitet der Infrarotsensor mit Infrarotwellen im nahinfraroten Wellenbereich und/oder die Infrarotwellen des Sensors durchstrahlen die Materialbahn, mit Hilfe einer Optik, mehrfach. Da insbesondere Tissue aus einer eher offenen Faserstruktur mit sehr geringem Flächengewicht besteht, befinden sich im Messbereich innerhalb des Messspalts nur wenig Materialfasern. Durch Implementierung einer geeigneten Optik, die eine mehrfache Durchstrahlung der Materialbahn im Messspalt ermöglicht, erreicht man ein gutes Signal/Rausch Verhältnis und eine hohe Messgenauigkeit.

Zur Auswertung der vom Sensor kommenden Messsignale kann in guter Näherung das Beer ^' schen Absorptionsgesetz verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird die eingangs genannte Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung zur Regelung von Materialeigenschaften gelöst, die einen ersten Regelkreis aufweißt, der mit Hilfe mindestens einem einstellbaren Mittel zur Beeinflussung des Fasergewichts und mindestens einem Sensor, zur Messung mindestens einer charakteristischen Materialbahneigenschaft, mit dem das Fasergewicht regelbar ist, wobei der Sensor ein Infrarotsensor ist, mit dem die Absorption von Infrarotwellen, durch die Fasern in der Materialbahn, gemessen wird. Wes Weiteren kann ein zweiter Regelkreis vorhanden sein, mit dem, mit Hilfe mindestens einem Mittel zur Beeinflussung der Materialbahnfeuchte und mindestens einem Infrarotsensor, zur Messung der Absorption von Infrarotwellen durch das Wasser in der Materialbahn, die Materialbahnfeuchte regelbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist an einer Position, in den Maschinen, derselbe Sensor für den Regelkreis zur Fasergewichts- und zur Materialbahnfeuchteregelung eingesetzt.

Dieser eine Sensor kann beispielsweise über die Bahnbreite traversierend in der Maschinen eingebaut sein, um eine Querprofilmessung zu ermöglichen oder es können quer zur Maschinenrichtung mehrere Sensoren eingesetzt werden. Vorzugsweise ist der eine Sensor hinter der Trockenpartie positioniert.

Im Sinne der Erfindung ist das Mittel zu Beeinflussung des Fasergewichts ein Stellglied zur Stoffauflaufregelung und das Mittel zu Beeinflussung der Material- feuchte ein Stellglied zur Trockentemperaturregelung.

Der Sensor weißt vorzugsweise eine Optik zur mehrfachen Durchstrahlung der Materialbahn auf. So wird erreicht, dass die Messgenauigkeit erhöht und ein gutes Signal/Rausch Verhältnis wird. Der erfindungsgemäß eingesetzte Sensor misst unabhängig voneinander die Materialbahnfeuchte und das Bahnfasergewicht durch die Bestimmung der charakteristischen Absorptionen der jeweiligen Inhaltsstoffe. In einer vorteilhaften Ausführung weißt der Sensor dafür mindestens drei optische Bandpassfilter auf, wobei zwei Bandpassfilter im Absorptionsbereich der Inhaltsstoffe liegen. In einer weitern vorteilhaften Ausführung weißt der Sensor vier optische Bandpassfiltern auf, wobei zwei Bandpassfilter im Absorptionsbereich der Inhaltsstoffe und zwei Bandpassfilter im Bereich ohne spezifische Absorption liegen.

So können Messsignale in dem Wellenlängenbereich ohne spezifische Absorptionen als Referenzsignale dienen, die zur Kompensierung sensor- und umgebungs- spezifischer Anteile im Messsignal verwendet werden können.

Bevorzugt weißt der Sensor Bandpassfilter mit einer Zentralwellenlänge von 2, 1 pm und 1 ,9 pm und als Referenz mit einer Zentralwellenlänge von 1 ,3 pm und 1 ,8 pm auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weißt der Sensor eine Spektrometerein- heit auf, die den zu untersuchenden Wellelängenbereich quasi-kontinuierlich abtastet, wobei die Wellenlängenbereiche mit den charakteristischen Absorptionen oder der gesamte gemessene Wellelängenbereich ausgewertet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.

In diesen zeigen:

Figur 1 schematische Darstellung der Regelkreise

Figur 2 Diagramm mit der Absorptionskurve einer Materialbahn

Figur 3 Diagramm, das die Verbesserung der Regelgüte zeigt Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Regelkreise einer erfindungsgemäßen Maschine. Der Sensor 3, ein Infrarotsensor, setzt sich aus den beiden gegenüberliegenden Komponenten IR Strahlenquelle 6 und IR Detektor 4 zusammen.

Als Strahlenquelle kommt vorzugsweise ein Wolfram - Halogen Strahler zum Einsatz. Der IR Detektor ist vorzugsweise ein PbS Detektor oder ein InGaAs Detektor, wobei die zur Messung benötigten Detektoren auch in einem gemeinsamen Detektorgehäuse untergebracht sein können.

Zwischen den beiden Sensorkomponenten 4,6 bewegt sich die Materialbahn oder Tissuebahn. Üblicherweise reicht bei einer Tissuemaschine ein Sensor, der im Bereich hinter der Trockenpartie oder Yankeezylinder positioniert ist.

Es ist aber auch denkbar diesen traversierend über die Materialbahnbreite zu bewegen oder mehrere Sensoren nebeneinander zu positionieren um eine Querprofilmessung zu ermöglichen.

Der IR Detektor 4 weißt mehrere Bandpassfilter auf, die verschiedene Zentralwel- lenlängen filtern. Die Verwendung von vier Bandpassfiltern, mit einer Zentralwellenlänge von 2, 1 pm und 1 ,9 pm und als Referenz mit einer Zentralwellenlänge von 1 ,3 pm und 1 ,8 pm, führt zu besonders guten Messergebnissen, da so die Messsignale in den Wellenlängenbereichen ohne spezifische Absorption als Referenzsignal herausgefiltert werden können. Die Messsignale werden zur Regelung des Herstellungsprozesses an eine Regeleinrichtung, die aus einer Speicherprogrammierbaren Steuerung, einem Microcontroller basierendem System oder einem PC besteht, weitergeleitet. Die relevanten Messgrößen, die charakteristische Materialbahneigenschaft, werden in der Regeleinrichtung mit Hilfe des Beer ^' schen Absorptionsgesetzes, das die jeweilige charakteristische Absorption der Regelgrößen, also Fasergewicht oder Materialbahnfeuchte, in Steuergrößen umrechnet und an die Stellglieder weiterleitet.

Die Umrechnung der Messsignale kann mit Hilfe eines applikationsspezifischen Messmodels in die für die Regelung relevanten Messgrößen umgerechnet werden. Das Mittel 9a zur Beeinflussung des Fasergewichts kann ein Stellglied zur Stoffauflaufregelung am Stoffauflauf sein, mit dem die Faserkonzentration derart geregelt wird, dass das gewünschte Fasergewicht oder Trockengewicht erreicht wird.

Das Mittel 9b zur Beeinflussung der Materialfeuchte kann dabei ein Stellglied zur Trockentemperaturregelung im Yankeezylinder sein, mit dem die Temperatur derart geregelt wird, dass es zu dem gewünschten Trocknungsgrad führt.

Es ist auch denkbar, dass mehrere Stellglieder zur Regelung des Fasergewichtes oder der Materialbahnfeuchte angesteuert werden, die an verschiedenen Stellen in Bahnlaufrichtung oder Nebeneinander, zur Querprofilregelung, angeordnet sind Die Regelung der für die Produktion von Tissue wichtigen Parameter, Trockengewicht und Materialbahnfeuchte erfolgt direkt mit den Messwerten der beiden unabhängigen Messungen und bietet Potential für die Kostenoptimierung des Prozesses durch Einsparung von Faserstoff.

Die Messung der beiden relevanten Parameter, Trockengewicht und Materialfeuch- te, wird mit nur einem Sensor realisiert, der voneinander unabhängig das Trocken/Fasergewicht und Feuchte der Paperbahn bestimmt, wodurch Messfehler im Trockengewicht durch eine fehlerhafte Feuchtemessung vermieden werden. Das Trockengewicht kann dadurch sicherer im gewünschten Zielbereich gehalten werden und der Fasereinsatz optimiert werden. Bei heutigen, modernen Tissuema- schinen mit Jahreskapazitäten von bis zu 100.000 t würde schon eine Reduzierung des Faserstoffes um 1 % eine beträchtliche Einsparung bedeuten.

Figur 2 zeigt ein Diagramm mit der Absorptionskurve einer Materialbahn. Hieraus ist zu entnehmen, dass die Absorption von Wasser 13 und Fasern 12 bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen stattfindet. So liegt die stärkste Absorption von Wasser 13 in einem Wellenlängenbereich von ca. 1 ,9 pm und die von Faser 12 in einem Bereich von ca. 2, 1 pm.

Durch die zusätzliche Verwendung entsprechender Filter mit einer Zentralwellenlänge von 1 ,3pm und 1 ,8pm, können Referenzwellenlängenbereiche 14 ohne spezifische Absorption als Referenzsignal herausgefiltert werden. Mit den Referenzsignalen können sensor- und umgebungsspezifische Anteile im Messsignal kompensiert werden, was zu einem besonders guten Messergebnis führt.

Figur 3 zeigt ein Diagramm, das die Verbesserung der Regelgüte verdeutlicht. Eine verbesserte Messsicherheit des Messsystems erlaubt dem Betreiber der Anlage die Sollwerte 17 einer Regelung näher an die erlaubten Qualitätsgrenzwerte 15 zu setzen und auf diese Weise den Rohstoffeinsatz, z.B. Faserstoff, zu optimieren, bzw. zu reduzieren.

Bezuqszeichenliste erster Regelkreis zweiter Regelkreis

Sensor

IR Detektor

Bandpassfilter

IR Strahlenquelle

Materialbahn

Maschine

a,b Stellglied

Messsignalauswerter

Regler

absorption Faser absorption Wasser

Referenzwellenlängenbereich

Grenzwerte

Sollwert Stand der Technik

Sollwert