Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Qualitätseigen- schaften von Papier und/oder Pappe an laufenden Material- bahnen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Qualitätseigenschaften von Papier und/oder Pappe an laufenden Materialbahnen, wobei optische Methoden berührungslos ein- gesetzt werden und wobei kontinuierlich optische Spektren, vorzugsweise im Infrarot-Bereich, gemessen und mit chemo- metrischen Methoden ausgewertet werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Meßsystem aus einer Mehrzahl von Sen- soren, die in Querrichtung zur laufenden Materialbahn an- geordnet sind und diese ohne Traversierung abtasten, sowie mit einer zugehörigen Auswerteeinrichtung.

In der nichtvorveröffentlichten DE 198 30 323 Al mit älterem Zeitrang ist ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Ermittlung der Dicke von Papier oder Pappe bei einer laufenden Materialbahn vorbeschrieben, bei denen berührungs- los optisch gemessen wird und die Spektren mit chemometri- schen Methoden ausgewertet werden.

Von letzterem ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, das Verfahren zur Erfassung der Eigenschaften von Papier oder Pappe weiterzubilden und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein ge- stuftes Auswerteverfahren angewandt wird, mit dem einerseits die Grundeigenschaften des Papiers oder der Pappe und ande- rerseits über eine mehrstufige Modellierung weitere Eigen- schaften ermittelt werden. Als Grundeigenschaften werden vorzugsweise das Flächengewicht, die Feuchte und/oder die Dicke des Papiers bzw. der Pappe bestimmt. Vorzugsweise

erfolgt eine dreistufige Modellierung, mit der nacheinander Stoffzusammensetzung, Mahlgrad und weitere Einzelgrößen be- stimmt werden. Bei der zugehörigen Vorrichtung enthält die Auswerteeinrichtung einen Rechner, bei dem im zugehörigen Speicher eine Reihe von Teilmodellen für die Einzelgrößen abgespeichert sind. Vorzugsweise sind für die Teilmodelle lineare Modelle erstellt.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß durch eine geeignete Modellierung online die Auswertung nichttraversie- rend gemessener Größen erfolgen kann, was mit der älteren DE 198 30 323 Al allein für die Bestimmung der Papierdicke vorgeschlagen wurde. Nunmehr wird aber nicht nur die Papierdicke bestimmt, sondern es können darüber hinaus alle weiteren interessierenden Qualitätseigenschaften des Papiers oder der Pappe ermittelt werden. Dies ist in geeigneter Weise durch die vorgeschlagene mehrstufige Modellierung möglich.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen.

Es zeigen Figur 1 ein kontinuierliches Spektrum für Papier, Figur 2 die Vorgehensweise bei der Auswertung mit einer stufenweisen Modellierung.

Figur 3 Vergleich von gemessenen und berechneten Werten für den Mahlgrad, Figur 4 den Mahlgrad über ein Kollektiv von Proben, Figur 5 den Vergleich von berechneten und gemessenen CMT- Werten für Papier, Figur 6 den Vergleich von berechneten und gemessenen Werten für den Lichtstreukoeffizient, und Figur 7 den Lichtstreukoeffizient über ein Kollektiv von Meßproben.

Gleiche bzw. gleichwirkende Teile haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Insbesondere die Diagramme werden zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Vorgehens teilweise gemeinsam beschrieben.

Die Infrarotspektroskopie im Bereich des NIR (Nahes Infrarot) und des MIR (Mittleres Infrarot) stellt eine seit langem be- kannte Methode dar, chemische Verbindungen qualitativ anhand ihrer spezifischen Absorption zu identifizieren und anhand der Absorptionsstärke quantitative Aussagen zu machen. Spe- ziell Papier ist ein Stoffgemisch aus dem organischen Grund- material-wie gebleichte und ungebleichte Zellstoffe und Holzstoffe-, anorganischen Bestandteilen-wie Füllstoffe und der sog. Strich auf dem fertigen Papier-sowie aus weiteren organischen Hilfsstoffen-wie Leimungsmitteln, naßfesten Mitteln od. dgl.. Es hat sich gezeigt, daß es mög- lich ist, mit Hilfe der IR-Spektroskopie im Bereich des NIR oder des MIR durch Erfassung und Auswertung von kontinuier- lichen Spektren die vorstehend genannten Bestandteile zu identifizieren und quantitativ zu bestimmen.

In der Figur 1 ist ein diesbezügliches Spektrum 11 für Papier dargestellt. Aufgetragen ist die Absorption über der Wellen- zahl. Wesentlich für die weitere Auswertung ist ein Spektral- bereich bei Wellenzahlen zwischen etwa 3500 cl 1 un etwa 3000 cl-', bei dem signifikante Strukturen von den OH-Schwin- gungen und den CH-Schwingungen bewirkt werden, sowie der Bereich ab 1800 cl-1, der als sogenannter Fingerprintbereich bezeichnet wird und Aussagen über Qualitätseigenschaften von insbesondere Papier zuläßt.

Relevante Qualitätseigenschaften von Papier, die im wesent- lichen auch durch die Dicke des Papiers bestimmt werden, sind im einzelnen beispielsweise der Mahlgrad, der Luftdurchgangs- widerstand und die mechanischen Festigkeiten und die opti- schen Eigenschaften.

Bezüglich des Mahlgrades wird davon ausgegangen, daß durch die Mahlung die Zellstoff-und Holzfasern als Ausgangsstoff für das Papier mechanisch verändert werden, insbesondere ver- kürzt oder defibriliert. Die Veränderung der Teilchengröße geht unmittelbar in die optischen Eigenschaften, beispiels- weise die Lichtstreuung, ein, was durch das Spektrum wieder- gegeben wird. Daneben sind auch Änderungen in der chemischen Struktur der Fasern festzustellen. Insbesondere ist der Anteil an Hemizellulosen an der Faseroberfläche sowie die Stärke und die Dichte der inter-und intramolekularen Was- serstoffbrückenverbindungen der Zellulose durch die Mahlung verändert.

Solche Veränderungen der chemischen Strukturen sind im Infrarotspektrum sichtbar. Insbesondere ist eine Korrelation zwischen den im Spektrum beobachteten Änderungen und dem Mahlgrad festzustellen, was in den Figuren 3 und 4 wieder- gegeben ist. Im einzelnen sind in Figur 3 die berechneten Werte des Mahlgrades SR in Abhängigkeit von den gemessenen Werten dargestellt, wobei sich eine hinreichend gute Korre- lation zeigt. In Figur 4 ist der Mahlgrad anhand eines Kol- lektivs von Proben mit gemessenen und berechneten Werten dargestellt. In diesen Figuren beinhalten die Ergebnisse die Modellierung des Mahlgrades auf der Basis der Infrarot- spektren für Papier aus gebleichtem Nadelholz bzw. Sulfat- zellstoff.

Der Luftdurchgangswiderstand, d. h. die Porosität des Papiers wird im wesentlichen von der Fasergröße und der Dichte der Faserpackung beeinflußt. Durch Untersuchungen wird bestätigt, daß eine Korrelation zu den Strukturen von Infrarotspektren besteht.

Die mechanischen Festigkeiten von Papier korrelieren schließ- lich analog wie der Mahlgrad mit der Fasergröße, Faserform und der Faserstärke, d. h. insbesondere der Bindungsstärke der Fasern, der Bindungsstärke zwischen den Fasern und zusätzlich

der Faserorientierung, welche auch als Formation bezeichnet wird. Die Bindungsstärke innerhalb der und zwischen den Fasern wird hauptsächlich durch die Stärke und Dichte der Wasserstoffbrücken zwischen den Zellulosemolekülen bestimmt.

In diesem Zusammenhang wird im einzelnen auf die veröffent- lichte WO 97/38305 Al verwiesen, gemäß der das Vorliegen von an der Faseroberfläche miteinander verbundenen Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen optisch erfaßt wird.

Die vorstehend genannten Faktoren haben Einfluß auf die Spek- tren von Papieren im NIR (Nahes Infrarot)-oder MIR (Mittleres Infrarot)-Bereich, so daß von einer Korrelation zwischen den Spektren und den mechanischen Festigkeiten ausgegangen werden kann. Diese Voraussagen werden anhand der Figur 5 bestätigt, die die Korrelation der Modellierung des sogenannten CMT- Wertes mit gemessenen Eigenschaften wiedergibt.

Schließlich sind noch die optischen Eigenschaften von Be- deutung, die unmittelbar durch Messung mit sichtbarem Licht ermittelt werden können. Dabei handelt es sich um Lichtstreu- effekte, die auch durch Messung mit IR-Spektren zu bestimmen sind, wie auch um Stoffeigenschaften, die unmittelbar durch die Stoffzusammensetzung bestimmbar sind. Die Figuren 6 und 7 zeigen die Ergebnisse der Modellierung speziell für den Lichtstreukoeffizienten für Papier aus gebleichtem Nadelholz- sulfatzellstoff (BSK).

Die Messung der Spektren kann in einfacher Weise insbesondere mit einem Sensorarray entsprechend der älteren deutschen Patentanmeldung 198 30 323.8 vorgenommen werden, wobei das Array in einem die laufende Papierbahn überspannenden Meß- rahmen integriert ist. Zur Erhöhung der Zahl der Meßpunkte kann eine Anlage vorgesehen sein, mit dem der gesamte Meß- rahmen quer zur Papierbahn bewegt wird, entsprechend der älteren deutschen Patentanmeldung 197 29 005.1, wobei die Messung mit der Rahmenbewegung synchronisiert wird. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Messung im Bereich des Infra-

roten, wobei kontinuierliche Spektren mit Wellenlängen von 1 bis 2,5 um (NIR) und/oder 2,5 bis 20 um (MIR) erfaßt werden.

Die Messung erfolgt in Abhängigkeit vom Flächengewicht in Transmission oder Diffusion bzw. direkter Reflexion.

Die Auswertung der so erhaltenen Spektren erfolgt nach mathematischer Vorverarbeitung mit Hilfe von chemometrischen Methoden, wie vorzugsweise die bekannten Methoden des Partial Least Square (PLS) oder Partial Component Analysis (PCA = Hauptkomponentenanalyse) und der multivariablen Datenanalyse bzw. Einsatz von neuronalen Netzen. Es wird nunmehr ein mehrstufiges Verfahren zur Analyse eingesetzt, wie es im einzelnen anhand Figur 2 dargestellt wird.

In Figur 2 ist ein Erfassungsblock für die gemessenen IR- Spektren mit 1 bezeichnet. In einer Einheit 5 wird entspre- chend dem Stand der Technik eine Vorverarbeitung vorgenommen, der sich nunmehr einzelne Modellierungseinheiten anschließen : In einer ersten Modellierungseinheit 10, in die als Input die vorverarbeiteten Spektren zur weiteren Auswertung gegeben werden, wird in einem ersten Schritt der Modellierung die Stoffzusammensetzung bestimmt. Als Ausgang wird beispiels- weise der Gehalt an Faserstoffen, an Füllstoffen und an Hilfsstoffen ausgegeben. Auch der sog. Strich als Papier- eigenschaft kann bestimmt und ausgegeben werden.

In einer zweiten Modellierungseinheit 20, in die als Input die Ergebnisse der ersten Modellierungseinheit 10, d. h. die bearbeiteten Spektren und insbesondere der Gehalt an Faser- stoffen, eingegeben werden, wird im zweiten Schritt eine weitere Modellierung aus dem Gehalt der Faserstoffe der Mahlgrad bestimmt. Speziell der Mahlgrad wird als Ergebnis der zweiten Modellierungseinheit 20 angegeben und in einer dritten Modellierungseinheit 30 weiter ausgewertet.

Unter Eingabe der bearbeiteten Spektren, dem Gehalt an Faser- stoffen, dem Mahlgrad, dem Gehalt an Füllstoffen und den weiteren Hilfsstoffen werden anschließend in der Einheit 40 die Einzelgrößen ausgewertet. Dabei wird gleichermaßen der Mahlgrad als Ergebnis des zweiten Modellierungsschrittes berücksichtigt.

Als Modelloutput in der Einheit 40 ergeben sich jeweils ge- trennte Modelle für die Grundgrößen, für die Zusammensetzung, für die mechanische Festigkeit und für die optischen Eigen- schaften. Als Grundgrößen werden das Flächengewicht, die Feuchte, die Dicke und die Asche des Papiers, als Größen für die Zusammensetzung dagegen die Füllstoffe, der Strich und die Hilfsstoffe angegeben. Als Größen für die mechanischen Eigenschaften ergeben sich die Reißfestigkeit, die Berst- festigkeit und die Weiterreißarbeit als für die praxis- wesentliche Qualitätsparameter. Als Größen für die optischen Eigenschaften ergeben sich schließlich die Lichtabsorption, Opazität und die Lichtstreuung. Mit der Gesamtheit dieser Größen können Papier und/oder Pappe in ihren Qualitätseigen- schaften umfassend beschrieben werden.

In der Figur 2 umfaßt die Einheit 1 zur Vorverarbeitung der Spektren die Bildung von Mittelwerten, das Glätten der Spek- tren und die Bildung von Ableitungen. Dabei können stark ge- störte Teile der Spektren für die Weiterverarbeitung elimi- niert werden. In den anschließenden Einheiten 10,20 und 30 werden für jede der zu bestimmenden Größen eigene Modelle erstellt, wobei zur Berechnung der einzelnen Meßgrößen im Einzelfall auch unterschiedliche Spektralbereiche und Vor- verarbeitungen zweckmäßig sind. Wie erwähnt, werden für die Modellierung chemometrische Methoden, wie insbesondere PCA und PLS, eine multivariable Datenanalyse und/oder neuronale Netze eingesetzt. Wie im einzelnen beschrieben, setzt sich die Modellierung aus drei Schritten zusammen, die nachfolgend mit ihren Eigenschaften nochmals zusammengefaßt sind :

Der erste Schritt der Modellierung gemäß Einheit 10 umfaßt die Bestimmung der qualitativen und quantitativen stofflichen Zusammensetzung des Papiers. Er erfolgt eine Klassifizierung nach Faserstoffen und Bestimmung deren Anteils, und zwar im einzelnen zu -BSK = bleached softwood Kraft (gebleichter Nadelholz- Sulfatzellstoff) -BHK = bleached hardwood Kraft (gebleichter Laubholz- Sulfatzellstoff) -BSS = bleached hardwood Sulfit (gebleichter Laubholz Sulfitzellstoff) -UBSK = unbleached softwood Kraft (ungebleichter Nadelholz- Sulfatzellstoff) -TMP = thermo mechanical Pulp (Refinerstoff) -CTMP = chemo thermo mechanical Pulp (Refinerstoff mit chemischer Umsetzung) -GW = ground Wood (Holzschliff).

Diese Größen können als Auswahlkriterium für das Modell des nächsten Berechnungsschrittes dienen, und zwar der Bestimmung der Füllstoffe und des sog. Strichs, d. h. der Beschichtung des Papiers. Dies sind im einzelnen -Calciumcarbonat -Kaolin -Titandioxid -Schwerspat Die Modellgrößen können unmittelbar eine zu bestimmende Meßgröße bzw. ein Qualitätsparameter sein und zur Regelung des Füllstoffeintrages bzw. des Streichprozesses dienen oder als Eingangsparameter für die nachfolgenden Modelle benutzt werden. Weiterhin erfolgt eine Bestimmung der Hilfsstoffe, wie beispielsweise der Leimungsmittel oder Naßfeststoffe.

Mit den im ersten Schritt der Modellierung ausgewählten Modellen wird der Mahlgrad bestimmt. In Abhängigkeit von den in der speziellen Anwendung bei beispielsweise produzierten Papieren erfaßten Stoffzusammensetzung müssen mehrere Modelle

für die Mahlgradberechnung aufgestellt werden. Der Ausgang dieses Modelles kann auch unmittelbar eine zu bestimmende Meßgröße sein und wird z. B. für die Regelung der vor der Papiermaschine eingesetzten Refinern benutzt. Anhand der Stoffzusammensetzung und des danach bestimmten Mahlgrades wird ein geeignetes Modell für die Berechnung der weiteren Papiereigenschaften bestimmt.

Abhängig von der Stoffart gemäß Einheit 10 und dem Mahlgrad gemäß Einheit 20 werden im dritten Schritt in der Einheit 30 mit einzelnen Teilmodellen die Grundeigenschaften -Flächengewicht -Feuchte -Dicke -Luftdurchgangswiderstand des Papiers bestimmt. Weiterhin lassen sich mit geeigneten Teilmodellen die mechanischen Festigkeiten wie -Reißlänge -Berstfestigkeit -Weiterreißarbeit -E-Modul -Bruchdehnung sowie die optischen Eigenschaften wie -Lichtstreukoeffizient -Lichtabsorptionskoeffizienten -Opazität -Reflexionsfaktor bestimmen. Die Zahl der einzusetzenden Modelle richtet sich dabei nach der Zahl der zu messenden Größen, der Stoffviel- falt und den Mahlgraden.

Die Auswahl des jeweils für die Stoffzusammensetzung und des Mahlgrades gültigen Modelles kann auf der Basis der Auswer- tung der Infrarotspektren automatisch erfolgen. Zur Unter- stützung kann jedoch eine Sollwertvorgabe von der Papier- rezeptur und dem Mahlungsgrad vorgesehen werden. Die Ausgabe aller Eigenschaften erfolgt in der Einheit 40.

Die Auswertung der kontinuierlichen Spektren entsprechend der oben beschriebenen Vorgehensweise erfolgt in einem Rechner, in dessen Speicher die oben im einzelnen beschriebenen Mo- delle bzw. Teilmodelle abgespeichert sind. Durch die soft- ware-mäßige Auswertung ergibt sich eine optimale Anpassung bei der Modellierung. Insbesondere werden für die einzelnen Teilmodelle lineare Modellverfahren eingesetzt.

Die Modellierung kann dabei viel zielgerichteter und damit genauer erfolgen als dies mit einem globalen Modell einer Meßgröße über alle Stoffzusammensetzungen und Mahlgraden erreichbar wäre. Dabei kann analytisches Wissen einbezogen werden. Die stufenweise Auswertung ermöglicht und erleichtert die Einbeziehung von analytisch bekannten Zusammenhängen.

Anhand der Figuren 3 bis 7 kann die Wirksamkeit der neuen Vorgehensweise belegt werden. So ergeben insbesondere die Gegenüberstellungen von gemessenen und berechneten Werten für den Mahlgrad SR anhand Figur 3 und den Lichtstreukoeffizient anhand Figur 6 eindeutige Korrelationen. Gleiches gilt für die Darstellung letzterer Größen anhand Figur 4 und Figur 7 für laufende Proben eines Kollektivs. Speziell in Figur 5 ist der sogenannte CMT (chemical mechanical temperature)-Wert als praxisrelevante Kenngröße für die mechanischen Eigenschaften von zellstoffbasierten Materialien dargestellt. Auch hier ergibt sich eine gute Übereinstimmung.

Das Verfahren wurde im einzelnen für Papier als Materialbahn beschrieben. Wie bereits angedeutet, gilt Entsprechendes aber auch für Pappe als Zellstoff-und Holzstoff enthaltendes Material.