Vorrichtung und Verfahren zur Erstellung eines Rohdichteprofils über die Dicke einer Platte

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbe- griff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 10.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art(R. Thompson et al.: "Design And Constructlon Of A Profile Density Measurement System For The Composite Wood Products Industry" in: IEEE Proceedings - 1989 Southeastcon,

Session 12D2, Seiten 1366 bis 1371) wird eine aus einer Span- oder Faserplatte ausgeschnittene Probe durch einen Gam astrahl einer Meßvorrichtung hindurchbewegt (S. 1367, Fig. 2). Der Gammastrahl verläuft rechtwinklig zu einer Schmalfläche der Probe. Es handelt sich hier um eine Laborvorrichtung. Die Proben werden aus der laufen¬ den Plattenproduktion entnommen und durchgemessen. Nachteilig sind die Zerstörung von Platten für die Probenentnahme und die lange Dauer, bis das Rohdichte- profil vorliegt. Die Produktion läßt sich nur mit entsprechender Verzögerung nachsteuern.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist auch aus

C. Boehme: "Die Bedeutung des Rohdichteprofils für MDF" in: Holz als Roh- und Werkstoff 50 (1992), Seiten 18 bis 24, bekannt.Gemäß Bild 10 wird ein senkrechtes

Strahlungsband durch eine vordere Blende, dann der Länge nach durch einen aufrecht angeordneten Prüfkörper von 50

3 x 50 x Dicke mm , sodann durch eine hintere Blende und

schließlich auf einen Detektor (Scintillationszähler) gesandt. Der Prüfkörper wird in Schritten von 1/10 mm quer zu der Strahlungsrichtung durch einen Schrittmotor bewegt. Die Meßdauer beträgt je Schritt 2s. Für diese Vorrichtung bestehen die zuvor erwähnten Nachteile ebenfalls.

Aus der DE 34 29 135 C2 ist es an sich bekannt, Walzgut, und zwar Stahlblech von 1,5 bis 30 mm Dicke, einer kontinuierlichen Dickenmessung zu unterziehen und u.a. das Querprofil des Walzguts aufzuzeichnen oder auszu¬ drucken. Dazu wird die Oberfläche des Walzguts in einer quer zur Walzrichtung angenordneten Meßebene mit wenig¬ stens einem sehr starken Gammastrahler 5,6 fächerförmig von oben bestrahlt. Detektorbalken 7,8 mit Reihen von Ionisationskammern 18,19 sind quer zur Walzrichtung unterhalb des Walzguts angeordnet. Die Fächerform der Gammastrahlung hat zur Folge, daß die Durchstahlungswege im Walzgut umso länger sind, je mehr die Strahlrichtung von der Senkrechten abweicht. Deshalb müssen die Analog- werte der Meßströme auf die unterschiedlichen Meßwege korrigiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Rohdichte¬ profil des Werkstücks schneller zu erstellen.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Werkstücke können z.B. mit Spänen oder Fasern aus Holz oder Fasern aus Einjahrespflanzen, wie Flachs oder Bambus, entstehen. Eine mineralische Bindung kann z.B. mit Gips oder Zement geschehen. Als für die Messung geeignete Strahlung kommt insbesondere Gamma- oder gut durchdringende Röntgen¬ strahlung in Betracht. Die Schmalflächen des Werkstücks sind seine beiden Stirnflächen und seine beiden Seiten-

flächen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wahlweise mit jeder dieser Schmalflächen gesondert oder mit einer beliebigen Anzahl dieser Schmalflächen nacheinander oder gleichzeitig zusammenwirken, um im letzteren Fall von ein und demselben Werkstück mehrere Rohdichteprofile zu erstellen, die eine besonders vollständige und gute Aussage über die Qualität des Werkstücks ermöglichen. Das Werkstück selbst kann sowohl die bekannte, aus einer Platte herausgeschnittene Probe als auch die gesamte Platte selbst sein. Im letzteren Fall kann eine ganze Platte aus dem Herstellungsprozeß abgezweigt und zerstö¬ rungsfrei zur Erstellung eines oder mehrerer Rohdichte¬ profile untersucht werden. Es kann aber auch mit beson¬ derem Vorteil ebenso zerstörungsfrei und ebenso an beliebig vielen Stellen einer oder mehrerer Schmalflä¬ chen der Platte "on line", also während des Herstellungs¬ prozesses, an den Platten selbst das Rohdichteprofil erstellt werden. In all diesen Fällen wird das Rohdich¬ teprofil vergleichsweise schnell und sicher erstellt. So können Fehlertendenzen im Herstellungsprozeß frühzeitig geortet und abgestellt werden. Dies führt zu einer erheblichen Qualitätsverbesserung der Werkstücke bei Verringerung des Ausschusses.

Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ist baulich und betrieb- lieh besonders einfach.

Das Strahlungsband gemäß Anspruch 3 kann z.B. eine Dicke von 0,1 mm aufweisen. Die Breite des Strahlungsbandes ist so gewählt, daß bei stationärem Strahler die gesamte Dicke des Werkatücks gleichzeitig bestrahlt wird.

Gemäß Anspruch 4 kann insbesondere der Strahler relativ zu dem staionären Werkstück bewegt und dabei die betref¬ fende Schmalfläche des Werkstücks durch den Strahl

abgetastet werden.

Die Detektorelemente gemäß Anspruch 5 können in ihrer

Größe entsprechend der gewünschten Auflösung gewählt werden. Es sind ohne weiteres Detektorelemente mit einer

2 Fläche von 1 μm realisierbar.

Im Fall des Anspruchs 6 würde zweckmäßigerweise das Detektorelement synchron mit dem Strahler gemäß Anspruch 4 bewegt werden. Diese Ausbildung bringt baulich beson¬ ders geringen Aufwand und den Vorteil, daß die Meßwerte sämtlicher Meßstrecken aus nur einem Strahl und nur einem Detektorelement gewonnen werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 ergeben sich besonde¬ re betriebliche Vorteile. Vorzugsweise beschickt jeder der beiden Strahler die Hälfte der Meßstrecken.

Gemäß Anspruch 8 lassen sich gleichzeitig mehrere Roh¬ dichteprofile von jeder der Schmalflächen erstellen. Dieses Vorgehen ist zeitsparend und führt zu besonders sicherer Beurteilung der Qualität des Werkstücks.

Gemäß Anspruch 9 kann insbesondere bei stationärem Werkstück mit traversiereπder Meßvorrichtung gearbeitet werden.

Die zugrunde liegende Aufgabe ist auch durch die Verfah¬ rensmerkmale des Anspruchs 10 mit ähnlichen Vorteilen wie bei Anspruch 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 11 läßt sich besonders schnell bei auf¬ tretenden Fehlern im Herstellungsprozeß reagieren.

Gemäß Anspruch 12 können die Messungen zur Erstellung

des Rohdichteprofils ohne Verlängerung der Zyklusdauer bei einem ohnehin hier und da erforderlichen Stillstand des Werkstücks durchgeführt werden. Dazu eignet sich z.B. der Aufenthalt der plattenförmigen Werkstücke im sogenannten Kühlwender.

Gemäß Anspruch 13 wird der Strahler vorzugsweise recht¬ winklig zu der Richtung der Strahlung bewegt.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 14 ergibt sich eine besonders schnelle und aussagekräftige Qualitätsanalyse des Werkstücks.

Die Merkmale des Anspruchs 15 sind vom baulichen Aufwand her besonders günstig.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht einer Meßvorrichtung,

Fig. 2 die Ansicht gemäß Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht zweier an einem Werkstück angesetzter Meßvorrichtungen,

Fig. 4 in schematischer Darstellung ein Rohdichteprofil über die Dicke des Werkstücks,

Fig. 5 ein Werkstück mit mehreren stationären Meßvor¬ richtungen an mehreren Schmalflächen,

Fig. 6 ein Werkstück mit einer entlang einer Schmalflä-

ehe bewegbaren Meßvorrichtung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer anderen Meßvorrichtung, deren Strahler über die Dicke des Werk¬ stücks bewegbar ist,

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer anderen Meßvorrichtung, die insgesamt über die Dicke des Werk¬ stücks bewegbar ist, und

Fig. 9 Schaltschema einer Vorrichtung zur Erstellung eines Rohrdichteprofils.

Fig. 1 zeigt in schematischer 'Darstellung eine Vorrich¬ tung 5 zur Erstellung eines Rohdichteprofils über die Dicke 6 eines plattenförmigen Werkstücks 7, z.B. einer Span- oder Faserplatte. Eine Meßvorrichtung 8 weist einen Strahler 9 und eine Liπearanordnung 10 von Detek- torelementen auf, von denen in Fig. 1 nur Detektorele¬ mente 11 bis 14 gezeichnet sind.

Der Strahler 9 beherbergt z.B. ein radioaktives Isotop, das eine Gammastrahlung in Gestalt eines parallelen Strahlungsbandes 15 aussendet. Eine Höhe 16 des Strah- luπgsbandes 15 ist in Fig. 1 eingezeichnet.

Zur Erzeugung des Strahlungsbandes 15 ist der Strahler 9 mit einem schmalen rechteckigen Schlitz 17 (Fig. 2) von einer Dicke 18 versehen.

Aus dem in Richtung seiner Höhe 16 kontinuierlichen Strahlungsband 15 werden zum Zweck der Erläuterung vier Strahlen 1 bis 4 herausgegriffen und nachfolgend näher betrachtet. Die Strahlen 1 bis 4 sind parallel zueinan¬ der und dringen jeweils unter einem Winkel 19, der < 90 ⁽

und > 0 ist, in eine Schmalfläche 20 des Werkstücks 7 ein. Die Strahlen 1 bis 4 durchdringen sodann das Werk¬ stück 7 auf Meßstrecken 21 bis 24 von in dieser Reihen¬ folge abnehmender Länge. Am Ende der Meßstrecken 21 bis 24 verlassen die Strahlen 1 bis 4 das Werkstück wieder und treffen auf die Detektorelemente 11 bis 14 auf. Das Strahlungsband 15, die Meßstrecken 21 bis 24 und die Linearanordnung 10 mit ihren Detektorelementen, z.B. 11 bis 14, liegen in einer gemeinsamen, zu der Schmalfläche 20 zumindest annähernd rechtwinkligen Meßebene. Bei der Schmalfläche 20 kann es sich um eine der beiden Stirn¬ flächen oder eine der beiden Seitenflächen des Werk¬ stücks 7 handeln.

Bei Span- und Faserplatten strebt man Decklagen von verhältnismäßig hoher Rohdichte und eine zwischen den Decklagen angeordnete Mittellage von geringerer Rohdich¬ te an. In Fig. 1 sind über die Dicke 6 stellvertretend vier Schichten 25 bis 28 eingezeichnet, die in dieser Reihenfolge Rohdichten p _* , p», p ₃ und p. aufweisen.

Der Strahl 1 legt in der Schicht 25 einen Weg d. , danach in der Schicht 26 einen Weg d-,, danach in der Schicht 27 einen Weg d-. und schließlich in der Schicht 28 einen Weg d. zurück. Die Summe der Wege d^ bis d. ist gleich der Meßstrecke 21. Der Strahl 2 legt die Wege d. + d-, + d-,, also die Meßstrecke 22, zurück. Der Strahl 3 legt die Wege d. + d-,, also die Meßstrecke 23, zurück. Der Strahl 4 schließlich legt nur den Weg d. zurück, der gleich der Meßstrecke 24 ist.

Die Aπfaπgsintensität I-. aller Strahlen 1 bis 4 vor ihrem Eintritt in die Schmalfläche 20 ist gleich. Durch die unterschiedlich langen Meßstreckeπ 21 bis 24 und die entlang der Meßstrecken 21 bis 24 angetroffenen unter-

schiedlichen Rohdichten werden die Strahlen 1 bis 4 auf ihrem Weg durch das Werkstück 7 unterschiedlich stark geschwächt, so daß die Detektorelemente 11 bis 14 in dieser Reihenfolge steigende Endintensitäten I . bis I. der Strahlen 1 bis 4 feststellen.

Maßgebend für die Schwächung jedes Strahls 1 bis 4 beim Durchdringen des Werkstücks 7 ist das Lambertsche Gesetz

in dem sind:

I _n die eindringende Anfangsintensität des Strahls [Zählungen/s]

μ der Absorptionskoeffizient [cm /g]

p die Rohdichte [g/cm ]

d der im Werkstück durch den Strahl zurückge¬ legte Weg [cm]

I die Endintensität des Strahls nach Durchdringen des absorbierenden Werkstücks [Zählungen/s] .

Danach ergeben sich die Endintensitäten I. bis I. der Strahlen 1 bis 4 in folgender Weise:

T - T _P - μ ( d +p d +p d +p d ) ^λ l ~ ^x 0 ' ^e 1 1 2 2 3 3 4 4

T - T _P - ( P d +p d ) ~3 ^" -" ^" O " 3 3 4 4

Mit diesen Endintensitäten In wird ein Rohdichtep ^r rofil

(vgl. Fig. 4) für die Schmalfläche 20 erstellt. Dies geschieht grundsätzlich durch Bildung der Differenz zweier benachbarter Endintensitäten. In der Praxis weist die Linearanordnung 10 je nach gewünschter Auflösung sehr viel mehr als nur die in Fig. 1 dargestellten vier Detektorelemente 11 bis 14 auf.

In Fig. 1 ist unterhalb des Strahls 4 noch ein Strahl 29 eingezeichnet, der einen minimalen Weg in der unteren Kante bzw. am unteren Ende der Schmalfläche 20 des Werkstücks 7 zurücklegt. Das dem Strahl 29 zugeordnete, in Fig. 1 nicht gezeichnete Detektorelement registriert demzufolge eine nur minimale Schwächung der Anfangsin¬ tensität in Gestalt einer bestimmten Eπdintensität des Strahls 29. Von dieser bestimmten Endintensität des Strahls 29 wird dann z.B. die Endintensität I- des Strahls 4 subtrahiert. Die Endintensität I . ist geringer als die Endintensität des Strahls 29, aus der sich die Rohdichte am unteren Ende der Schmalfläche 20 errechnen läßt. Aus der vorerwähnten Differenz läßt sich sodann die Rohdichte des Werstücks 7 in demjenigen Punkt er¬ rechnen, in dem der Strahl 4 in die Schmalfläche 20 eintritt. Durch ähnliche Differenzbildungen können nach und nach die Rohdichtewerte aller Punkte errechnet werden, in denen die einzelnen Strahlen des Strahlungs¬ bandes 15 in die Schmalfläche 20 eintreten.

In allen Zeichnungsfiguren sind gleiche Teile mit glei- chen Bezugszahlen versehen.

Gemäß Fig. 3 finden zwei Strahler 9 und 30 Verwendung, die jeweils ein Strahlungsband 15 und 31 jeweils unter

dem Winkel 19 auf die Schmalfläche 20 senden. Dabei sind die Strahler 9, 30 jedoch spiegelbildlich so angeordnet, daß das Strahlungsband 15 lediglich die Schichten 27, 28 und das Strahlungsband 31 nur die Schichten 25, 26 durchdringt. Außer der Meßvorrichtung 8 ist in Fig. 3 also noch eine weitere Meßvorrichtung 32 vorgesehen, die eine weitere Linearanordnung 33 von einzelnen Detektor¬ elementen aufweist.

Ein unterster Strahl 34 des Strahlungsbandes 31 legt in der Schicht 26 einen Weg d _p -, und in der Schicht 25 einen Weg d-,-. zurück. Alle übrigen Strahlen des Strahlungsban¬ des 31 legen in dem Werkstück 7 kürzere Gesamtwege zurück. Von besonderem Vorteil für die Erstellung des Rohdichteprofils auf diese Weise i ^' st, daß bei gegebener Dicke 6 des Werkstücks 7 die maximalen Meßstrecken d-, _R + d ,, kürzer sind als im Fall der Fig. 1, bei dem das einzige Strahlungsband 15 die gesamte Höhe der Schmal¬ fläche 20 zu bestrahlen hat.

Fig. 4 zeigt ein typisches Rohdichteprofil 35 über der Dicke 6 des Werkstücks, in diesem Fall einer Spanplatte. Mit einer gestrichelten waagerechten Linie ist außerdem ein Mittelwert 36 der Rohdichte eingezeichnet. Die Maxima 37 und 38 des Rohdichteprofils 35 liegen wie gewünscht weit außen, wo im Bereich der Decklagen des Werkstücks 7 besonders hohe Rohdichtewerte angestrebt werden. Die Zonen in Fig. 4 links von dem Maximum 37 und rechts von dem Maximum 38 werden in der üblichen Weise später durch Abschliff oder Kalibrierschliff abgetragen, so daß die Maxima 37, 38 der Rohdichte schließlich tatsächlich in den Außenflächen des Werkstücks liegen.

Fig. 4 zeigt auch, daß man in der zwischen den beiden Decklagen angeordneten Mittellage der Spanplatte mit

verhältnismäßig geringen Rohdichtewerten auskommt.

Bei der Vorrichtung 5 gemäß Fig. 5 sind an der Schmal¬ fläche 20 in seitlichem Abstand voneinander zwei statio¬ näre Meßvorrichtungen 8 gemäß Fig. 1 angesetzt. An der angrenzenden Schmalfläche 39 des Werkstücks 7 ist eine weitere stationäre Meßvorrichtung 8 angesetzt. Vorzugs¬ weise wird das Werkstück 7 in einer Meßposition relativ zu den verschiedenen Meßvorrichtungen 8 angehalten. Im Fertigungsprozeß der Werkstücke 7 sind in der Regel ohnehin Stillstandsdauern für die Werkstücke 7 erforder¬ lich, in denen dann die Messungen zur Erstellung des Rohdichteprofils ohne Verlängerung der gesamten Zyklus¬ dauer durchgeführt werden können.

Die Vorrichtung 5 gemäß Fig. 6 weist an der Schmalseite 20 nur eine Meßvorrichtung 8 auf. Die Meßvorrichtung 8 ist in den Richtungen des Doppelpfeils 40 auf einer Führungsschiene 41 durch nicht weiter gezeigte Mittel entlang der Schmalfläche 20 verfahrbar. Während dieses Verfahrens oder während eines Stillstands der Meßvor- richtung 8 wird jeweils das Rohdichteprofil an unter¬ schiedlichen Stellen entlang der Schmalfläche 20 aufge¬ nommen. In der gleichen Weise könnte eine Meßvorrichtung auch entlang der Schmalfläche 39 Meßwerte für die Er¬ stellung von Rohdichteprofilen aufnehmen.

Sowohl in Fig. 5 als auch in Fig. 6 können nicht nur Rohdichteprofile für die Schmalflächen 20, 39, sondern auch für die jeweils gegenüberliegende Schmalfläche erstellt werden.

Bei der Vorrichtung 5 gemäß Fig. 7 sendet der Strahler 9 der Meßvorrichtung 8 nicht ein Strahlungsband, sondern nur einen Strahl 42 aus, der nacheinander die Schmal-

fläche 20 auf der gesamten Dicke 6 abtastet. Dazu ist der Strahler 9 in den Richtungen des Doppelpfeils 43 entlang einer Führungsschiene 44 durch nicht dargestell¬ te Mittel verschiebbar. Die Linearanordnung 10 ist stationär angeordnet. Ihre einzelnen Detektorelemente werden nacheinander durch den in der Intensität abneh¬ mend geschwächten Strahl 42 getroffen. Dabei ist Bewe¬ gung des Strahlers 9 in Fig. 7 von oben nach unten angenommen.

Der Grundaufbau der Vorrichtung 5 gemäß Fig. 8 ist ähnlich dem in Fig. 7. In Fig. 8 ist allerdings anstelle der Linearanordnung 10 mit einer Vielzahl von Detektor¬ elementen gemäß Fig. 7 nur ein einziges Detektorelement 45 vorgesehen, das über eine Haltevorrichtung 46 an dem Gehäuse des Strahlers 9 befestigt ist. Auf diese Weise macht das Detektorelement 45 alle Bewegungen des Strah¬ lers 9 in den Richtungen des Doppelpfeils 43 mit. Das Detektorelement 45 registriert nacheinander die sich während des Abtastens der Schmalfläche 20 durch den Strahl 42 ergebenden unterschiedlichen Endintensitäten, aus denen sich die entsprechend unterschiedlichen Roh¬ dichtewerte ergeben.

Gemäß Fig. 9 ist jedes Detektorelement 11 bis 14 über eine Leitung 47 bis 50 mit einer Auswerteschaltung 51 verbunden. Jedes Detektorelement 11 bis 14 erzeugt ein der Endinteπsität der geschwächten Strahlung entspre¬ chendes elektrisches Signal, das in der Auswerteschal¬ tung 51 ausgewertet wird. Die Auswerteschaltung 51 ist über eine Leitung 52 mit einem Rechner 53 verbunden, an den über Leitungen 54 bis 56 ein Bildschirm 57, ein

Drucker 58 und eine Speichervorrichtung 59 angeschlossen sind. Das Rohdichteprofil 35 (Fig. 4) läßt sich einer¬ seits auf dem Bildschirm 57 darstellen und andererseits

durch den Drucker 58 ausdrucken. Es kann ferner in der Speichervorrichtung 59 zu späterer anderweitiger Verwen¬ dung protokolliert werden.