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Title:
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE THICKNESS OF PAPER OR CARDBOARD BY MEASURING ON A CONTINUOUS MATERIAL WEB
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/002941
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for determining the thickness of a web of continuous material, in which contactless optical methods are used, and measuring takes place with optical spectra, preferably in the infrared (IR) range. In accordance with the invention, continuous spectra are evaluated by chemometric methods and/or neuronal networks, from which the thickness of the material web is advantageously determined by using training sets. An appropriate device for carrying out the method is characterized by a spectrometer (1) having at least one light source, means (10, 10', ...) for transferring the light to the material web (100) and devices (30, 31, 31') for measuring the light intensity after transmission through the material web (100) and for subsequent evaluation in order to determine the material thickness.

Inventors:
Hartenstein, Hermann (Dormitzer Strasse 35 Neunkirchen, D-91077, DE)
Lampe, Uwe (Beim Kloster Dohren 13 Buxtehude, D-21614, DE)
Roth, Christoph (Curd-Jürgens-Strasse 16 München, D-81739, DE)
Application Number:
PCT/DE1998/001872
Publication Date:
January 21, 1999
Filing Date:
July 07, 1998
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2 München, D-80333, DE)
Hartenstein, Hermann (Dormitzer Strasse 35 Neunkirchen, D-91077, DE)
Lampe, Uwe (Beim Kloster Dohren 13 Buxtehude, D-21614, DE)
Roth, Christoph (Curd-Jürgens-Strasse 16 München, D-81739, DE)
International Classes:
B65H43/00; G01B11/06; G01N21/59; G01N21/89; (IPC1-7): G01B11/06; D21F7/06
Foreign References:
US3258594A1966-06-28
US4885709A1989-12-05
US4748329A1988-05-31
US5389789A1995-02-14
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der Dicke von Papier oder Pappe durch Messung an einer laufenden Materialbahn, wobei für die Messung optische Methoden berührungslos eingesetzt werden, mit folgenden Merkmalen : Die Messung erfolgt mit kontinuierlichen optischen Spek tren, vorzugsweise im Infrarot (IR)Bereich, dazu wird Licht mit einem vorgegebenen Spektralbereich gleichmäßig in Lateralrichtung zur laufenden Materialbahn eingestrahlt, Nach Wechselwirkung des Lichtes mit der laufenden Material bahn werden kontinuierliche Spektren als ResponseSignale mit chemometrischen Methoden und/oder Neuronalen Netzen ausgewertet und daraus die Dicke der Materialbahn bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die Auswertung mit den chemo metrischen Methoden und/oder den Neuronalen Netzen Trainings Sets verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die TrainingsSets unterschiedliche Rohstoffzusammensetzungen des Materials, insbesondere die Art der Zellstoffe, Altpapier, Füllstoffe bei Papierbahnen, berücksichtigt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in den TrainingsSets die empirischen Zusammenhänge zwischen Absorption und Zusammensetzung des Materials sowie der Dicke der Papierbahn abgelegt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die laufende Materialbahn die Papierbahn in einer Papiermaschine ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Bestimmung der Dicke der Papierbahn an der Papiermaschine erfaßte Meßdaten ein bezogen werden, beispielsweise Eigenschaften wie die Poro sität, die Formation und andere Eigenschaften, die optisch meßbar sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auch Parameter der Papiermaschine selbst, beispielsweise Vakuumdruck, Geschwindigkeit, Pressendruck, Dampfverbrauch od. dgl., berücksichtigt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mit einem linearen Array von Infrarotsensoren in Querrichtung zur Richtung der laufenden Materialbahn gemessen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die Messung an laufenden Papier bahnen die Zahl der Meßpunkte von der Zahl der auf der Papiermaschine vorhandenen Stellglieder, insbesondere am Stoffauflauf, bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Array während der Messung in Lateralrichtung verschoben wird, um die Zahl der Meßpunkte pro Sensor zu erhöhen.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 9, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Spektrometer (1) mit wenigstens einer Lichtquelle, durch Mittel (10,10',...) zur Übertragung des Lichtes zur Materialbahn (100), um eine parallele Ausleuch tung zu gewährleisten, und durch Einrichtungen (30,31,31', ...) zur Messung der Lichtintensität nach Transmission durch die Materialbahn (100) und zur Auswertung der kontinuier lichen Spektren.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Lichtüber tragung (10,10',..., 20,20',...) Glasfasern sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einrichtung zur Messung der Lichtintensität einen optischen Multiplexer (25) für eine sequentielle Messung über die Materialbahn (100) enthält.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einrichtung zur Messung der Lichtintensität ein Detektorarray (31,32,...) für eine simultane Messung über die Papierbahn (100) hinweg enthält, das an einem Meßrahmen angebracht ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Detektorarray (31,32) aus Einzelspektrometern in Mikrosystemtechnik (MST) besteht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, g e k e n n z e i c h n e t durch geeignete Software zur Steuerung der Messung und der Signalaufnahme und zur Signalauswertung mittels eines Rechners.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß vom Rechner zur Signalaus wertung folgende Maßnahmen einzeln oder kombiniert ausführbar sind : Glätten der Spektren Nullinienkorrektur Normierung Bildung von Mittelwerten Identifikation von Ausreißern, d. h. Störungen, die beispielsweise durch Messung an ausgedienten Schmutzpunkten od. dgl. entstehen Bildung von Ableitungen bzw. Integralen Identifikation von Peaks hinsichtlich ihrer Intensität, Peakbreite bzw. Flächenintegral Berechnung der Hauptkomponenten, wie PCA oder PLS.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswertung im Rechner mit neuronalen Netzen erfolgt.
Description:
Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Dicke von Papier oder Pappe durch Messung an einer laufenden Materialbahn Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Dicke von Papier oder Pappe durch Messung an einer laufenden Materialbahn, wobei optische Methoden berührungslos eingesetzt werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf zugehörige Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

In der Praxis der Papierindustrie wird bisher die Papierdicke bei laufender Papierbahn berührend durch Anpressen auf das Papier und traversierend über die gesamte Breite der Papierbahn gemessen. Nichttraversierende Messungen über die gesamte Materialbahnbreite, die bei Papierfabriken bis zu 10 m betragen kann, werden bisher nicht eingesetzt.

Berührungslose Messungen, die optische Prinzipien ausnutzen, wie Lasermessungen oder Spektroskopie, werden zwar auch zur Papierdickenmessung vorgeschlagen, können aber in der Praxis bei schnellaufenden Papierbahnen nicht mit Erfolg eingesetzt werden.

Aus der EP 0 250 365 A2 sind Verfahren und zugehörige Vor- richtungen bekannt, mit denen optisch und berührungslos Eigenschaften von flächenhaften Gegenständen, d. h. unter anderem auch die Dicke, gemessen werden sollen. Dabei wird jeweils mit wenigstens drei diskreten Wellenlängen gearbei- tet, das Transmissions-oder das Reflexionsvermögen des Gegenstandes erfaßt und durch Korrelation mit bekannten Eigenschaftswerten von bekannten Gegenständen der geforderte Eigenschaftswert bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein anderes opti- sches Verfahren zur Messung der Dicke von Papier oder Pappe bei einer schnellaufenden Materialbahn anzugeben und die zu- gehörigen Vorrichtungen zu schaffen.

Die Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Abfolge der Verfahrenschritte gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unter- ansprüchen angegeben. Zugehörige Vorrichtungen sind in den Sachansprüchen gekennzeichnet.

Bei der Erfindung wird als elektromagnetische Strahlung vor- zugsweise der Infrarotbereich verwendet, von diesem vorzugs- weise der Bereich des nahen Infrarot (NIR : 0,8-2,5 um) und des mittleren Infrarot (MIR : 2,5-10 um). Wesentlich ist da- bei, daß in diesen Spektralbereichen kontinuierliche Spektren erfaßt und ausgewertet werden.

Speziell mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie kann also ins- besondere berührungslos und online eine Messung zur Bestim- mung der Papierdicke an einer in der Papiermaschine mit hoher Geschwindigkeit laufenden Papierbahn durchgeführt werden. Es wurde erkannt, daß aus der Absorption der Spektren durch die Zellulosebestandteile von Papier oder Pappe eine genaue Dickenbestimmung möglich ist. Die Messung der Absorption kann vorzugsweise durch eine lineare Anordnung von mehreren Sen- soren als Array quer zur Papierbahn erfolgen. Ein Traversie- ren über die Papierbahn hinweg ist dann nicht notwendig.

Die Absorption von elektromagnetischer Strahlung hängt nach dem Lambert-Beerschen Gesetz von der Schichtdicke der absor- bierenden Substanz ab. Es kann daher in Transmission durch das Papier die Absorption von elektromagnetischen Strahlung gemessen werden. Aus den Meßwerten der Absorption wird dann die Papierdicke bestimmt.

Da die Zusammensetzung von Papier oder Pappe unabhängig von der Papierdicke von Sorte zu Sorte variiert, hat sie Einfluß auf die Absorption von Infrarotlicht, die sich dadurch bei konstanter Papierdicke verändern kann. Um solche Effekte zu erfassen, ist es erforderlich, den Einfluß der Papierzusam- mensetzung auf die Absorption zu bestimmen. Dazu wird eben- falls mit kontinuierlichen Spektren im angegebenen Spektral- bereich gemessen.

Die Auswertung speziell des kontinuierlichen Spektrums zur Bestimmung der Dicke der laufenden Materialbahn erfolgt ins- besondere mit Hilfe von chemometrischen Methoden, z. B. PCA (Partial Component Analysis) und/oder PLS (Partial Least Square). Alternativ ist auch die Auswertung über Neuronale Netze möglich. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, für das Meß-und Auswertesystem Trainings-Sets von Papieren mit be- kannten Eigenschaften einzusetzen. Es lassen sich so geeig- nete Modelle erstellen.

Wie bereits erwähnt, hängt die Absorption in Papier oder Pappe wesentlich von der Zusammensetzung des Papiers oder der Pappe ab, weshalb je nach der bekannten Rohstoffzusammenset- zung, wie Zellstoffe, Altpapier, Füllstoffe, unterschiedliche Trainings-Sets angelegt werden, in denen die bekannten Zusam- menhänge zwischen Absorption und Zusammensetzung sowie Mate- rialdicke berücksichtigt sind. Da während der Papier-oder Pappeherstellung während der Herstellung einer Sorte übli- cherweise keine Änderung der Rohstoffzusammensetzung erfolgt, ist der Wechsel von einem zu dem anderen Trainings-Set nur dann bei einem Sortenwechsel erforderlich, wenn damit eine Änderung der Rohstoffzusammensetzung verbunden ist.

Neben der Auswertung der kontinuierlichen Spektren können zur Berechnung der Papierdicke auch weitere Meßdaten des Papiers

bzw. Pappe oder auch von der Papiermaschine einbezogen wer- den. Insbesondere können die Porosität oder die Formation des Papiers, die direkt optisch meßbar sind, berücksichtigt werden. Es ist auch möglich, Materialgrößen indirekt über eine Kombination von signifikanten Maschinenparametern, wie z. B. Vakuumdruck, Geschwindigkeiten, Pressendruck, Dampf- verbrauch, bei der Produktion zu berechnen.

Eine Traversierung wird vorteilhafterweise dadurch überflüs- sig, daß quer zur Papierbahn ein lineares Array von Infrarot- sensoren an einen Meßrahmen angebracht wird, so daß eine simultane Messung der Querprofiles des Papiers ermöglicht wird. Die Zahl der erforderlichen Meßpunkte wird dabei von der Zahl der auf der Papiermaschine vorhandenen Stellglieder, beispielsweise am Stoffauflauf, vorgegeben. Durch synchroni- siertes Auslenken des Meßrahmens mit dem Sensorarray läßt sich die Zahl der Meßpunkte erhöhen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung, bei der speziell auf die Papierherstellung eingegangen wird, wobei für Pappe entspre- chendes gilt. Es zeigen jeweils in grobschematischer Darstel- lung Figur 1 ein Online-Spektrometer an einer Papierbahn für ein sequentielle Messung in Querrichtung dere Papierbahn, Figur 2 eine Modifikation von Fig. 1 mit einer Lichtquellen- zeile Figur 3 ein Online-Spektrometer für eine simultane Messung in Querrichtung der Papierbahn und Figur 4 ein Online-Spektrometer, das in diffuser Reflexion gegen eine spiegelnde Walze mißt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich aus der gemein- samen Beschreibung der einzelnen Figuren. In den Figuren haben jeweils gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.

Der prinzipielle Aufbau eines Online-Spektrometers für die Messung in Querrichtung an einer mit hoher Geschwindigkeit laufenden Papierbahn besteht aus : -einer oder mehreren Lichtquellen -einzelnen Glasfasern von der Lichtquelle zur Papierbahn, womit eine parallele Ausleuchtung der Papierbahn erreicht wird -Meßeinrichtungen für die Absorption/Transmission als Response-Signale nach Wechselwirkung des Lichtes mit der laufenden Papierbahn -einen Rechner (PC) mit geeigneter Software zur Steuerung des Meßgerätes, zur Signalaufnahme und Signalauswertung.

In Figur 1 ist an geeigneter Position oberhalb einer Papier- bahn 100 eine Lichtquelle 1 angebracht. Das Licht wird z. B. mittels Glasfasern 10,10,... zur Papierbahn hingeführt, so daß sich eine gleichmäßige Ausleuchtung in Lateralrichtung der laufenden Papierbahn ergibt. Die Zahl der anzuschließen- den Glasfasern 10,10',... richtet sich dabei nach Zahl der quer zur Papierbahn zu realisierenden Meßpunkte. Vorteil- hafterweise sollte im optischen Bereich des NIR (nahes Infra- rot : 0,8-2,5 um) gemessen werden, da für diesen Spektral- bereich preiswerte Glasfasern in ausreichender Länge und Qualität verfügbar sind sowie eine Messung in Transmission auch durch relative dickes Papier möglich ist.

Das Licht tritt durch die Papierbahn 100 hindurch. Die Mes- sung der verbleibenden Lichtintensität und damit der Absorp- tion kann auf zwei alternativen Wegen erfolgen : -Sequentielle Messung über die Papierbahn hinweg unter Ver- wendung eines optischen Multiplexers

-Simultane Messung über die Papierbahn hinweg mit einem Array von Spektrometern in Mikrosystemtechnik Bei einer sequentielle Messung über die Papierbahn 100 hinweg werden die Meßpunkte quer zur Papierbahn 100 nacheinander gemessen. Die laterale örtliche Auflösung hängt dabei nur von der Zahl der realisierten Meßpunkte ab, die Auflösung in Längsrichtung von der Meßgeschwindigkeit des Spektrometers und der Zahl der Meßpunkte. Entsprechend Figur 1 besteht eine solches Spektrometer aus einer hinreichenden Anzahl von Glasfasern 20,20',... entsprechend der zu realisierenden Meßpunkte, einem Multiplexer 25, einem nicht im einzelnen dargestellten Monochromator und einem Detektor 30. Bedingt durch den Einsatz der Glasfasern können letztere Komponenten räumlich getrennt von der Papierbahn 100 betrieben werden, so daß sie insbesondere nicht der hohen Temperatur der im Pro- duktionsprozeß schnell laufenden Papierbahn ausgesetzt sind.

Als Alternative zum optischen Multiplexen ist in Figur 2 der Ausbau einer Zeile von Lichtquellen entsprechend der Anzahl der Meßpunkte dargestellt. Die Lichtquellen 1,1',... werden nacheinander entsprechend der gewünschten Meßfrequenz ein- und ausgeschaltet. Es wird dann nur jeweils der Meßpunkt beleuchtet, von dem das Spektrum aufgenommen werden soll.

Damit erspart man sich das aufwendige optische Multiplexen, da die Schaltung der Lichtquellen rein elektronisch vorge- nommen werden kann.

Zur Auswertung ist ein Monochromator notwendig. Dafür sind grundsätzlich zwei Realisierungen möglich, und zwar -optische Gitter -sog. AOTF's (Acoustical-Optical-Tunable-Filter) Optische Gitter stellen eine konventionelle Lösung dar. Will man mechanisch bewegte Gitter vermeiden, u. a. da man mit

ihnen keine kurzen Meßzeiten im Bereich von wenigen ms realisieren kann, benötigt man für diesen Typ Monochromator ein Detektorarray. Der AOTF wirkt dagegen unmittelbar als Monochromator, so daß nur das Licht mit der gewünschten Wellenlänge zum Kristall gelangt.

Der AOTF ist ein Material, dessen Brechungsindex sichtbares Licht oder Infrarot-Licht durch Anlegen einer akustischen Schwingung eingestellt werden kann, so daß nur Licht der gewünschten Wellenlänge durch den Monochromator zum Detektor gelangen kann.

Da ein Driften der einzelnen Komponenten des Spektrometers, insbesondere die Lichtquelle und die Detektoren, nicht aus- zuschließen ist, muß die Möglichkeit einer Referenzmessung vorgesehen werden. Im einfachsten Fall wird dafür eine Glas- faser direkt von der Lichtquelle zum Detektor gezogen. Eine zusätzlich Maßnahmen ist eine geeignete mathematische Vor- behandlung der kontinuierlichen Spektren.

Der Detektor muß zur Verbesserung der Signalstabilität ge- kühlt werden, wozu ein Peltierelement ausreicht. Für die Ansteuerung des Spektrometers und die Auswertung der Meß- ergebnisse wird ein Industrie-PC benötigt. Das Spektrometer einschließlich PC kann am Einsatzort beispielsweise in einem temperierten Container untergebracht werden.

Bei einer simultanen Messung über die Papierbahn wird quer zur Papierbahn ein Array in Miniaturspektrometern in Mikro- systemtechnik (MST) aufgebaut. Der wesentliche Vorteil eines solchen System liegt darin, daß die Messung an der Papierbahn nahezu in Echtzeit erfolgen kann. Damit ist ein Maximum an örtlicher Auflösung, lateral wie in Längsrichtung erreichbar.

Mit einer Anordnung gemäß Figur 3 kann vor allem an schnell laufenden Papiermaschinen die Messung deutlich verbessert werden. Das Mikrospektrometer enthält prinzipiell die glei- chen Komponenten wie Figur 1, jedoch entfällt der Multiplexer 20.

In Figur 4 mißt eine Meßanordnung entsprechend Figur 3, bei der Lichtleiterfasern 15,15',... als Sende-/Empfangslicht- leiter arbeiten, in diffuser Reflexion gegen eine spiegelnde Walze 16 hinter der Papierbahn 100. Das Spektrometer enthält prinzipiell die gleichen Komponenten wie in Figur 1 mit opti- schem Multiplexer 25 und Detektor 30. Ein Aufbau entsprechend Figur 2 oder Figur 3 ist ebenfalls möglich.

Zur Ermittlung der kontinuierlichen Spektren wird das Infra- rot-Spektrum des Papiers insbesondere im Bereich des NIR gemessen oder, falls erforderlich, auch im Bereich des MIR.

Die gemessenen Spektren werden anschließend vorverarbeitet, wozu geeignete Software zur Verfügung steht. Dazu gehören u. a.

-Glätten der Spektren -Nullinienkorrektur -Normierung -Bildung von Mittelwerten -Identifikation von Ausreißern, d. h. Störungen, die beispielsweise durch Messungen an ausgedehnten Schmutzpunkten entstehen -Bildung von Ableitungen bzw. Integralen -Identifikation von Peaks hinsichtlich ihrer Intensität, Peakbreite bzw. Flächenintegral.

Es folgt die eigentliche Auswertung : Mit an sich bekannten chemometrischen Methoden zur Auswertung von Spektren, wie insbesondere der sogenannten Hauptkomponentenanalyse (PCA = Partial Component Analysis) oder der Methode der kleinsten

Quadrate (PLS-Partial Least Square), lassen sich kontinu- ierliche Spektren rechnergestützt bearbeiten. Dabei wird zur Ermittlung von geeigneten Kenngrößen entsprechend der älteren Anmeldung PCT/DE 97/02987 vorgegangen, wobei dort zur Prozeß- führung und Prozeßoptimierung bei der Papierherstellung kon- tinuierliche Spektren ausgewertet und insbesondere Zustands- und/oder Prozeßmodelle abgeleitet werden. Nunmehr wird über eine geeignete Modellierung und Erstellung von Trainings-Sets speziell die Bestimmung der Dicke von Papier oder Pappe ermöglicht und zwar unter praxisgerechten Bedingungen der Papierfabrik bei mit hoher Geschwindigkeit laufender Materialbahn.

Außer den angegebenen chemometrischen Methoden können auch Neuronale Netze zum Einsatz kommen. Für die Modellbildung bezüglich der Papiereigenschaften sind in beiden Fällen geeignete Trainings-Sets notwendig, so daß dem Rechner die notwendigen Daten geliefert werden. Aus den Daten wird mit geeigneter Software die Papierdicke berechnet.