Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Vorrichtung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier mittels eines blattförmigen Rakelelements, das die Streichfarbe auf eine über eine Walze geführte Papierbahn aufträgt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine spezielle Verwendung dieser Vorrichtung.

Naturpapiere, wie sie die Papiermaschine verlassen, eignen sich nicht für alle Druck¬ zwecke. Gerade für anspruchsvolle Druckerzeugnisse ist die Papieroberfläche nicht gleichmäßig genug. Dort wo besondere Anforderungen an naturgetreue Bildwiedergabe und Brillanz gestellt werden, ist eine glatte, geschlossene Oberfläche des Druckträgers notwendig, der die Druckfarbe gleichmäßig annimmt. Daher wird auf die Papierober¬ fläche eine Schicht aus einem bzw. verschiedenen Pigmenten, hauptsächlich Kaolin und Caiciumcarbonat, die sogenannte Streichfarbe, aufgetragen. Dieser Auftragvorgang wird als "Streichen" bezeichnet.

Vorrichtungen zum Streichen von Papierbahnen oder auch Kartonbahnen umfassen als Grundelemente das Auftragwerk, die Trockeneinrichtung und Meßeinrichtungen. Das Auftragwerk, das auch als Coater bezeichnet wird, dient dazu, die Streichfarbe in der gewünschten Menge auf die Papier- oder Kartonoberfläche aufzutragen und zu egalisie¬ ren. Die Trockeneinrichtung dient dazu, das mit der Streichfarbe aufgetragene Wasser aufzuheizen und zu verdunsten bzw. verdampfen, so daß die Streichfarbe eine gleichmä¬ ßig trockene und mit der Papieroberfläche verbundene Schicht bildet und das Papier für den nächsten Verarbeitungsschritt den notwendigen Feuchtigkeitsgehalt annimmt. Schließlich dienen Meßeinrichtungen vor dem Auftragwerk und hinter dem Trockner zur kontinuierlichen Erfassung und Kontrolle der wesentlichen Parameter, beispielsweise der Strichdicke der auf die Papier- oder Kartonbahn aufgetragenen Streichfarbe. Dabei erweist es sich insbesondere beim Anfahren der Maschine beispielsweise nach dem Wechseln des regelmäßig auszuwechselnden blattförmigen Rakelelementes als nach¬ teilig, daß zur Einstellung der Strichdicke jeweils die Papier- oder Kartonbahn die

Streichanlage bis zur hinter der Trockeneinrichtung angeordneten Meßeinrichtung zum Messen der Strichdicke geführt werden muß. Bis demnach die gewünschte Strichdicke jeweils eingestellt ist, muß ein verhältnismäßig großer Papier- bzw. Kartonausschuß hingenommen werden.

Stand der Technik

Aus der EP 426 980 A2 ist es bekannt, die Änderung des Winkels der Bladespitze eines Rakelelements durch einen Signalgeber zu erfassen, der unmittelbar oder über eine Halterung mittelbar auf der metallischen Streichklinge haftet. Dieses Verfahren der Winkeländerung weist aber zunächst den Nachteil auf, daß durch das unmittelbare Aufbringen des Sensors bzw. das mittelbare Aufbringen des Sensors über ein Haltee¬ lement an der entsprechenden Stelle die Biegeeigenschaft des Rakelelements verändert werden. Zum anderen muß jeweils beim Auswechseln des Rakelelements der Sensor neu positioniert und angeschlossen werden. Darüber hinaus wird die vorbekannte Winkelmessung nur zur Regelung einer konstanten Strichqualität und zur Erfassung des Klingenverschleißes verwendet.

Diese Nachteile ergeben sich beim berührungsloses Messen entsprechend dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren nicht mehr.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Strichdicke der aufgestrichenen Streich¬ farbe zu erfassen, ohne einen größeren Ausschuß zu produzieren.

Erfindungsgemäß wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren diese Aufgabe dadurch gelöst, daß kontinuierlich durch berührungsloses Messen der Auslenkung der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements der Abstand von der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements zu der Oberfläche der Papierbahn bestimmt wird. Der Abstand zwischen der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements und der Oberfläche der Papierbahn steht mit der gemessenen Auslenkung des blattförmigen Rakelelements in einer einfachen trigonometrischen Beziehung, so daß aufgrund der kontinuierlich gemessene- nen Auslenkung unmittelbar der Spalt zwischen der Streichkante des blattförmigen Rakelelements zu der Oberfläche der Papierbahn bestimmt werden kann. Die Strichdicke

der Streichfarbe unterscheidet sich von dem jeweils gemessenen Spalt wiederum nur durch einen konstanten Faktor, der von den jeweiligen physikalischen Gegebenheiten der aufgetragenen Streichfarbe, des bestrichenen Papiers und den Betriebsbedingungen abhängt. Dieser konstante Faktor kann durch Vorversuche festgelegt werden, so daß er für eine festgelegte Paarung eines bestimmten Papier- bzw. Kartontyps mit einer entsprechenden Streichfarbe und den Betriebsbedingungen feststeht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Auslenkung des blattförmigen Rakeleiements berührungslos gemessen wird. Somit kann das blattförmige Rakelelement nach seiner Abnutzung problemlos ausgewechselt werden, ohne ent¬ sprechende Sensoren, die gegebenenfalls auf dem Rakelelement angebracht sein können, auswechseln bzw. anschließen zu müssen.

Zur berührungslosen Messung der Auslenkung des Rakelelements eignen sich vorteilhaft induktive oder kapazitive Sensoren oder auch Sensoren auf Wirbelstrombasis. Schlie߬ lich läßt sich das Verfahren der Lasertriangulation besonders vorteilhaft anwenden. Auch das Laser-Dopplerverfahren kann zur berührungslosen Messung der Rakelelement¬ auslenkung eingesetzt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß der Abstandsmeßsensor für die berührungslose kon¬ tinuierliche Abstandsmessung in einer Halterung des blattförmigen Rakelelements derart angeordnet ist, daß die Auslenkung der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements genau erfaßt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft auch zur Bestimmung der Viskosität der Streichfarbe unter Betriebsbedingungen verwendet werden, da diese abgesehen von feststehenden geometrischen Konstanten und Materialkonstanten von der Dicke des Spaltes zwischen dem blattförmigen Rakelelement und der Oberfläche der Papierbahn abhängt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhaft auch zur Früherkennung nachlassender Strichqualität und der Verschlechterung der Laufeigenschaften der Papierbahn verwenden, da beispielsweise Vibrationen des Biades oder das Aufschwim¬ men des Biades sofort erkannt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Anlagenschema einer Streichvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, Figur 2 eine schematische Darstellung der Papierbahnoberfläche und des in der

Haltevorrichtung angeordneten blattförmigen Rakelelements, Figur 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der im erfindungsgemäßen Verfahren angewandten Lasertriangulation und Figur 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Figur 1 ist ein Anlagenschema für eine doppelseitige Blade-Streichanlage 10 darge¬ stellt. Dort wird das Rohpapier oder der Rohkarton 12 von einer Vorratsrolle 14 abgewickelt und durch eine Meßstation 1 6 geführt, in der das Basisgewicht und die Basisfeuchte des Rohpapiers bzw. des Rohkartons gemessen wird. Anschließend durchläuft die Papier- bzw. Kartonbahn ein erstes Auftragwerk 18, wo über ein blatt¬ förmiges Rakelelement 20 - das sogenannte Blade - die Streichfarbe aufgetragen wird. Anschließend durchläuft die Papier- bzw. Kartonbahn eine Trockeneinrichtung 22, bevor sie einer Meßstation 24 zugeführt wird, so beispielsweise aufgrund der Messung des Fertiggewichts das Strichgewicht der auf einer Seite aufgestrichenen Oberflächen¬ schicht bestimmt wird. Anschließend wiederholt sich der Streichvorgang für die bislang noch nicht beschichtete Oberfläche der Rohpapier- bzw. Rohkartonbahn 12 in einem Auftragwerk 26, bevor die Papier- bzw. Kartonbahn einen Trockner 28 durchläuft. In einer Meßstation 30 wird dann das Strichgewicht der zweiten beschichteten Oberfläche gemessen. Schließlich wird die doppelseitig bestrichene Papier- bzw. Kartonbahn 12 auf eine Rolle 32 aufgerollt.

Gemäß der schematischen Figur 4 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einer konventionellen Anlage gemäß Figur 1 unmittelbar in den Auftragwerken 1 8 bzw. 26 angeordnet sein kann, wird die Auslenkung f des blattförmigen Rakelelements 20

mittels einer Lasertriangulationsvorrichtung 34 nahe der Bladespitze 36 des blatt¬ förmigen Rakelelements kontinuierlich gemessen. Unter Berücksichtigung des Anstell¬ winkels ψ des blattförmigen Rakelelements zu der Papier- bzw. Kartonbahn 1 2 ergibt sich der Abstand f aufgrund der Beziehung s = f x cos φ Der Abstand s zwischen der Bladespitze 36 des blattförmigen Rakelelements 20 und der Oberfläche der Papier- bzw. Kartonbahn 12 entspricht der Schichtdicke der zwischen der Papieroberfläche 12 und der Bladespitze 36 hindurchtretenden Streichfarbe 38. Dieser bestimmte Spaltabstand s steht zu der endgültigen Strichdicke d in folgender Beziehung: d _n .ß = Const. x s dtroeken = ConSt.' X d _naß

Die Konstanten Const. und Const.' hängen von dem eingesetzten Rohpapier- bzw. Rohkarton, der eingesetzten Streichfarbe und den gewählten Maschinenparametern ab. Diese Konstante kann für eine bestimmte Materialpaarung und bestimmte Maschinenpa¬ rameter vorab bestimmt werden, so daß sie für diese Parameter festliegt und beispiels¬ weise aus dem Speicher einer Zentraleinheit im Anwendungsfall abrufbar ist.

In Figur 3 ist das Prinzip des Lasertriangulationssensors 34 dargestellt. Dort wird von einer Laserdiode 40 ein Laserstrahl 42 ausgesandt, der auf der Oberfläche des Me߬ objektes einen Lichtfleck produziert. Dieser Lichtfleck wird mit einer Empfangsoptik 44 im Sensorkopf auf einer gestreckten positionsempfindlichen Fotodiode 46 abgebildet. Die laterale Verschiebung des Lichtfleckes auf der Fotodiode 46 erzeugt elektrische Ströme, die ein Maß für die lineare Distanz zwischen dem Sensor 34 und dem Me߬ objekt sind.

Dieser Lasertriangolationssensor 34 ist in einer Halterung 48 des blattförmigen Rakel¬ elements 20 derart angeordnet, daß der Laserstrahl 42 auf das blattförmige Rakel¬ element 20 nahe der Bladespitze 36 gerichtet werden kann (vergleiche Figur 2).

Durch Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine Streichanlage gemäß Figur 1 kann zur Ermittlung einer Strichdicke auf die Meßstationen 24 und 30 verzichtet werden. Vielmehr kann die Strichdicke nach einmal erfolgter Kalibrierung des zu verarbeitenden Systems bei gegebenen Betriebsparametern kontinuierlich unmittelbar in den jeweiligen Auftragswerken 18 bzw. 26 ermittelt werden.

Über die hierzu kontinuierlich bestimmte Spaltdicke s läßt sich gleichfalls die Viskosität der Streichfarbe 38 aufgrund folgender Beziehungen bestimmen:

In dieser Beziehung steht η für die zu bestimmende dynamische Viskosität der Streich¬ farbe. Mit f _v ist der Vorspannweg des elastischen blattförmigen Rakelelements 20 bezeichnet. E steht für den Elastizitätsmodul des blattförmigen Rakelelements 20. L bezeichnet die Ausladung des blattförmigen Rakelelements 20 (vergleiche Figur 2). Mi w ₀ ist die Walzengeschwindigkeit der Walze, über die die Papier- bzw. Kartonbahn 12 läuft, bezeichnet, h ist die Stärke des blattförmigen Rakelelements 20. b ist die Breite des Rakelelements 20. p bezeichnet die Dichte der Streichfarbe. K, und K ₂ sind Maschi¬ nenkonstanten.

Die kontinuierlich erfaßte Viskosität der verwendeten Streichfarbe ist einer der bestim¬ menden Parameter für die Laufeigenschaften der Streichfarbe und somit der Strichquali¬ tät. Diese kann nach der erfindungsgemäßen Verwendung gleichzeitig mit der Strich¬ dicke bestimmt werden.