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Dokumentenidentifikation DE10016358A1 12.10.2000
Titel Anordnung zum Messen von Eigenschaften an einer laufenden Werkstoffbahn, insbesondere Papier- und/oder Kunststoffbahn
Anmelder Mercer, Peter G., 56659 Burgbrohl, DE
Erfinder Mercer, Peter G., 56659 Burgbrohl, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Holtz, Martin, Lippert, Frankfurt, München, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 03.04.2000
DE-Aktenzeichen 10016358
Offenlegungstag 12.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2000
IPC-Hauptklasse G01N 21/86
IPC-Nebenklasse G01N 33/34   G01M 11/08   
Zusammenfassung Anordnung zum Messen von Eigenschaften an einer laufenden Werkstoffbahn, aufweisend eine Einrichtung (10, 20) zur Erzeugung eines Laserenergiestrahls im Bereich des nahen Infrarot, eine Ablenkeinrichtung (30), die den Laserenergiestrahl quer, vorzugsweise senkrecht, zur Laufrichtung der Bahn (40) über die Breite der Bahn lenkt, eine Energiesammeleinrichtung (50), die sich quer zur Laufrichtung über die Breite der Bahn erstreckt und in Wechselwirkung mit der Bahn getretene Laserenergie sammelt, und eine Detektoreinrichtung (60), die von der Energiesammeleinrichtung gesammelte Laserenergie erfaßt, wobei die Laserenergiequelle (10) mehrere Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge und ein optisches System (20) aufweist, das die Strahlen der Laserdioden zu dem Laserenergiestrahl bündelt, und die Detektoreinrichtung (60) mehrere, für die unterschiedlichen Wellenlängen der Laserdioden empfindliche Detektoren aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Eigenschaften an einer laufenden Werkstoffbahn, insbesondere Papier- und/oder Kunststoffbahn, aufweisend eine Einrichtung zur Erzeugung eines gebündelten Laserenergiestrahls im Bereich des nahen Infrarot, eine Ablenkeinrichtung, die den Laserenergiestrahl quer, vorzugsweise senkrecht, zur Laufrichtung der Bahn über die Breite der Bahn lenkt, eine Energiesammeleinrichtung, die sich quer zur Laufrichtung über die Breite der Bahn erstreckt und in Wechselwirkung mit der Bahn getretene Laserenergie sammelt, und eine oder mehrere Detektoreinrichtungen, die von der Energiesammeleinrichtung gesammelte Laserenergie erfaßt bzw. erfassen.

Eine vergleichbare Anordnung ist aus der US 4289964 A bekannt. Der von einem Laser erzeugte Licht- bzw. Energiestrahl hat eine in Abhängigkeit von der zu messenden Bahn ausgewählte Wellenlänge im IR- oder UV-Bereich und wird von einer rotierenden Trommel quer über die laufende Bahn abgelenkt. Bei der Energiesammeleinrichtung kann es sich um einen Glasstab handeln, der durch die Bahn getretene Energie sammelt und sie einem am einen Ende des Glasstabs angeordneten Detektor zuführt. Der Detektor kann durch einen Photoelektronenvervielfacher realisiert sein. Anstelle einer Transmissionsmessung ist auch eine Reflexionsmessung in Betracht gezogen. Diese bekannte Laserstrahlenmeßanordnung soll zur Unterstützung einer Betastrahlen-Meßeinrichtung dienen, die zur Ermittlung des Flächengewichts einer gerade hergestellten Bahn herangezogen wird, und hat gegenüber der Betastrahlen- Meßeinrichtung den Vorteil, daß sie die laufende Bahn über ihre gesamte Breite wesentlich schneller abtasten kann. Auf diese Weise ist es möglich, den Werkstoffherstellungsprozess hinsichtlich des Flächengewichts genauer zu regeln. Dies gelingt allerdings nur im Verein mit der Verwendung der Betastrahlen-Meßeinrichtung, die aufwendig und für Online-Messungen bei schnell laufenden Bahnen schwerfällig und zu ungenau ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, zur Ermittlung der Eigenschaften des Werkstoffs bzw. der daraus hergestellten Bahn durch Online- Messung an laufenden Bahnen eine Anordnung anzugeben, die ohne Betastrahlen-Meßeinrichtung und auch ohne andere traversierende Meßeinheiten auskommt und dennoch Meßsignale liefert, aus denen die gewünschten Eigenschaften genau ermittelbar sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gelöst, daß die Laserenergiequelle mehrere Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge und ein optisches System aufweist, das die Strahlen der Laserdioden zu dem Laserenergiestrahl bündelt, und daß die Detektoreinrichtung mehrere, für die unterschiedlichen Wellenlängen der Laserdioden empfindliche Detektoren aufweist.

Die nach der Erfindung ausgebildete Anordnung liefert für jede über die ganze Bahnbreite abgetastete Stelle gleichzeitig mehrere Meßsignale unterschiedlicher Frequenzen. Die für diese Stelle repräsentativen Meßsignale geben zueinander in Beziehung gesetzt die Werkstoffeigenschaften an dieser Stelle genau wieder.

Die erfindungsgemäße Anordnung vermeidet dabei die Notwendigkeit, mehrere diskrete Meßeinrichtungen über die Bahnbreite bewegen zu müssen. Damit können zwar genaue Meßsignale gewonnen werden, jedoch ist bei schnell laufenden Bahnen die Abtastzeit über die gesamte Bahnbreite zu lang. Dies wirkt sich insbesondere dann nachteilig aus, wenn die ermittelten Werkstoffeigenschaften zur Korrektur von Einstellungen an der den Werkstoff aufbereitenden Maschine, beispielsweise der Papiermaschine herangezogen werden sollen.

Trotz der mehreren Meßfrequenzen wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung nur ein einziges bewegtes Bauteil benötigt, nämlich beispielsweise ein in der Strahlablenkeinrichtung vorgesehener rotierender Spiegel für sämtliche Frequenzen. Es kann mit kleinem Meßfleck gearbeitet und somit eine hohe Auflösung erzielt werden. Die Abtastzeit kann gegenüber Anordnungen mit traversierenden Meßeinrichtungen um einen Faktor 50 bis 100 gesenkt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann derart ausgebildet sein, daß sie Transmissionssignale und/oder Reflexionssignale bei unterschiedlichen Frequenzen liefert. Aus den Transmissionssignalen sind beispielsweise das Flächengewicht und der Feuchtegehalt einer Papierbahn mit Hilfe bekannter Algorithmen bestimmbar. Aus den Reflexionssignalen sind das Flächengewicht und zum Teil die Zusammensetzung einer mineralischen und/oder Polymerbeschichtung wiederum mit Hilfe bekannter Algorithmen bestimmbar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorzugsweise erfaßt die Detektoreinrichtung die an beiden Enden der Energiesammeleinrichtung austretende Energie und kombiniert die jeweils für eine Wellenlänge erfaßten Energien. Auf diese Weise werden betragsmäßig größere Meßsignale gewonnen.

Vorzugsweise weist die Energiesammeleinrichtung ferner mehrere in Querrichtung der Bahn aneinander gereihte Abschnitte auf und die Detektoreinrichtung erfaßt vorzugsweise wiederum die an beiden Enden der Abschnitte austretende Energie und kombiniert die jeweils für eine Wellenlänge erfaßten Energien.

Dies ist bei breiteren Bahnen von Vorteil. Durch die abschnittsweise Energieerfassung an mehreren Stellen längs der Energiesammeleinrichtung können Verluste und Signalverzerrungen verringert werden, die sonst in Bereichen der Bahn auftreten würden, in denen der Abtastfleck eine größere Distanz zu den Austrittsenden der Energiesammeleinrichtung hat.

Die Detektoren sind vorzugsweise über Lichtleiter mit der Energiesammeleinrichtung verbunden. Hierdurch ist es nicht nur möglich, jeweils eine Wellenlänge mit nur einem Detektor zu erfassen, sondern auch die Detektoren an von der Energiesammeleinrichtung entfernten Stellen anzuordnen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Genauigkeit der Messung durch Erfassung von Referenzwerten erhöht, indem die Detektoren der Detektoreinrichtung auch nicht mit der Werkstoffbahn in Wechselwirkung getretene Laserenergie erfassen.

Hierzu kann die Energiesammeleinrichtung über die Breite der zu messenden Bahn hinausragen und der Laserenergiestrahl zum Gewinnen der Referenzwerte über eine Strecke abgelenkt werden, die länger als die Breite der Bahn ist.

Für eine Transmissionsmessung ist die Energiesammeleinrichtung mit dem abgelenkten Laserenergiestrahl ausgerichtet und sammelt durch die Bahn hindurchgetretene Laserenergie.

Alternativ oder zusätzlich wird eine Reflexionsmessung durch die oder eine zusätzliche Energiesammeleinrichtung ermöglicht, die auf der der Ablenkeinrichtung zugewandten Seite der Bahn angeordnet ist und von der Bahn diffus reflektierte Laserenergie sammelt. In diesem Fall ist im Bereich des über die Bahnbreite hinaus abgelenkten Laserenergiestrahl eine Reflexionseinrichtung vorgesehen, die die nicht mit der Bahn in Wechselwirkung getretene Laserenergie zu der Energiesammeleinrichtung reflektiert. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird für eine Papierbahn anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung zur Transmissionsmessung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung für eine Reflexionsmessung und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Energiesammeleinrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung 10,20 zum Erzeugen eines Laserenergiestrahls mit mehreren Wellenlängen im Bereich des nahen Infrarot. Diese Einrichtung 10, 20 umfaßt in einer Einheit das Funktionsmerkmal der Erzeugung mehrerer Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in einem Lasercluster 10 mit mehreren Laserdioden und das Funktionsmerkmal der Bündelung der einzelnen Diodenlaserstrahlen in einem optischen System 20 zu einem einzigen NIR-Laserstrahl. Dieser Strahl wird dann mit Hilfe einer Ablenkeinrichtung 30 in Querrichtung über eine zu messende laufende Papierbahn 40 gelenkt wird, wobei die Ablenkrichtung senkrecht zur Laufrichtung der Papierbahn verläuft. In Ausrichtung mit dem abgelenkten Strahl befindet sich auf der von der Ablenkeinrichtung 30 abgewandten Papierbahnseite eine Energiesammel- und Detektoreinrichtung 50, 60 mit einem langgestreckten Glasstab 50, an dessen Enden jeweils ein Satz von mindestens zwei Detektoren 60 für unterschiedliche Wellenlängen angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel sind vier Detektoren in jedem Satz entsprechend vier Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen.

Die Anordnung der Fig. 2 umfaßt im wesentlichen die bereits in Fig. 1 dargestellten Elemente, wobei jedoch die Energiesammel- und Detektoreinrichtung 70, 80 auf der dem Laserstrahl ausgesetzten Papierbahnseite angeordnet ist. Während in der Anordnung von Fig. 1 der abgelenkte Laserstrahl senkrecht auf die Papierbahn auftrifft, wird er in Fig. 2 vorzugsweise unter einem von der Senkrechten abweichenden Einfallswinkel auf die Papierbahn gerichtet. Die Energiesammel- und Detektoreinrichtung 70, 80 ist vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie die unter dem entsprechenden Ausfallwinkel reflektierte Energie erfaßt.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Energiesammeleinrichtung gezeigt. Hierin zeigt Fig. 3A eine Ansicht auf die Eintrittsseite der Einrichtung für die mit der Papierbahn in Wechselwirkung getretene Laserenergie. Fig. 3B zeigt eine gegenüber Fig. 3A um 90° gedrehte Ansicht und Fig. 3C eine gegenüber Fig. 3A um 180° gedrehte Ansicht der Energiesammeleinrichtung.

In Fig. 3 sind vier verschieden ausgebildete Bauteile 100, 110, 120 und 130 gezeigt, aus denen eine aus mehreren Abschnitten bestehende Energiesammeleinrichtung in Form eines unterteilten metallbeschichteten Glasstabs runden Querschnitts aufgebaut werden kann. Die Metallbeschichtung bedeckt den Glasstab außer in den Bereichen, die in Fig. 3A und 3B mit U angezeigt sind. Diese Bereiche beinhalten zum einen ein Eintrittsfenster 140, das sich in der gezeigten Weise über alle Bauteile erstreckt und in Form eines planen Anschliffs des Stabes vorgesehen ist. Auf der dem Eintrittsfenster 140 gegenüber liegenden Außenseite des Glasstabs ist ein aufgerauhter Streifen 150 vorgesehen, der derart ausgebildet ist, daß die über das Eintrittsfenster 140 in den Stab gelangte Energie intern so abgelenkt wird, daß möglichst wenig Energie wieder über das Eintrittsfenster austritt. Auf diese Weise wird erreicht, daß wenigstens ein Teil der Energie aus einem im Bauteil 110 vorgesehenen Austrittsfenster 170 austritt. Ein solches Austrittsfenster ist vorzugsweise auch im Bauteil 120 vorgesehen, so daß an beiden Enden eines Abschnitts der Energiesammeleinrichtung Energie erfaßt wird. Vom Austrittsfenster 170 aus wird die Energie über nicht dargestellte Lichtleiter zu den ebenfalls nicht dargestellten Detektoren geführt.

Der Abstand zwischen den aneinander stoßenden nicht metallisch beschichteten Stirnseiten der Bauteile 100, 110, 120, 130 ist so gering, beispielsweise in der Größenordnung von 0,2 mm, daß die Energieübertragung in Stablängsrichtung praktisch unbeeinflußt bleibt.

Das in Fig. 3 links dargestellte Bauteil 100 bildet vorzugsweise einen Endabschnitt der Energiesammeleinrichtung und ist deshalb im Gegensatz zum Bauteil 130 auf einer Stirnseite, im gezeigten Beispiel auf seiner linken Stirnseite, beschichtet. Das Bauteil 100 bildet mit dem Bauteil 110 einen Randabschnitt der Energiesammeleinrichtung, gefolgt von einem Abschnitt, der aus den Bauteilen 120, 130, 110 gebildet ist und einen Zwischenabschnitt der Energiesammeleinrichtung darstellt. Gegebenenfalls kann dieser Abschnitt auch als Randabschnitt genutzt werden.

Anstelle des Glasstabes kann nach der Erfindung auch ein Metallrohr mit stark polierter Innenfläche verwendet werden, das einen Längsschlitz als Eintrittsfenster aufweist. Der Längsschlitz kann sich über die gesamte Länge des Metallrohres erstrecken. Die Verwendung des Metallrohres hat den Vorteil, daß die Energiesammeleinrichtung bei höheren Wellenlängen betrieben werden kann. Die Detektoreinrichtung, die vorzugsweise Halbleiterdetektoren enthält, stellt eine eigenständige Erfindung dar und muß nicht mit dem hier dargestellten Lasersystem verwendet werden.

Obgleich das obige Ausführungsbeispiel auf eine Papierbahn Bezug nimmt, ist die Erfindung nicht auf den Werkstoff "Papier" einschließlich aller Papiersorten, wie Synthesefaser-Papier, beschränkt, sondern umfaßt auch Kunststoffbahnen.

So ist ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung die Beschichtung und Kaschierung mit Polymeren in der industriellen Fertigungstechnik. In der Nahrungsmittelverpackungs- und Photoindustrie werden beispielsweise Mehrfachschichten aus Polymeren auf Papier und Pappe angewandt, um spezielle Eigenschaften zu erzielen. Diese Eigenschaften umfassen Absperrungen gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit bei Lebensmittelnbehältern, die sonst den Inhalt der Behälter beeinträchtigen könnten, und Bedrucken der Außenseite, um die Aufmerksamkeit von Kunden auf sich zu ziehen. Eines der wichtigsten Erzeugnisse sind Flüssigkeitsverpackungen für Milch, Fruchtsäfte und Weine. Damit die erforderliche Haltbarkeit erzielt werden kann, ist es wichtig, daß die Polymerlagen eine gleichförmige Dicke haben, wobei eine gewisse minimale Dicke nicht unterschritten werden darf. Somit ist bei der Anwendung von Polymeren eine ständige Überwachung und Kontrolle erforderlich. Die derzeitigen Qualitätskontrollsysteme können jedoch nur mit relativ geringen Geschwindigkeiten abtasten, so daß es bis zu 20 Minuten dauern kann, bis die ideale Gleichförmigkeit jeder Schicht oder Lage erreicht ist. Nach der Erfindung sind schnelle Abtastzeiten von weniger als 1 Sekunde möglich, wodurch die Anfahrzeit für die Beschichtungsvorgänge beträchtlich verringert werden kann.

Die bedruckte äußere Oberfläche von Laminaten verursacht ein übermäßiges Signalrauschen in solchen herkömmlichen Sensoren, die Filterscheiben verwenden, um die Wellenlängen von einer breitbandigen Lampe auszuwählen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Energie jeder Wellenlänge von einem anderen Teil und damit von einem andersfarbigen Bereich der laufenden Bahn kommt. Man hat daher durch zusätzliche Filterung des Meßsignals die Antwort der Sensoren noch mehr verlangsamt.

Nach der Erfindung können die Laser synchron moduliert werden, so daß die gesamte Energie, die zum Durchführen jeder Messung benötigt wird, von dem selben Teil der Schicht bzw. Bahn kommt, das heißt von einem die gleiche Farbe tragenden Bereich.

Die Erfindung kann auch auf alle Arten der Gießbeschichtung, Extrusionsbeschichtung oder Kaschierung bzw. Laminierung und dergleichen angewendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zum Messen von Eigenschaften an einer laufenden Werkstoffbahn, insbesondere Papier- und/oder Kunststoffbahn, aufweisend

    eine Einrichtung zur Erzeugung eines Laserenergiestrahls im Bereich des nahen Infrarot,

    eine Ablenkeinrichtung, die den Laserenergiestrahl quer, vorzugsweise senkrecht, zur Laufrichtung der Bahn über die Breite der Bahn lenkt,

    eine Energiesammeleinrichtung, die sich quer zur Laufrichtung über die Breite der Bahn erstreckt und in Wechselwirkung mit der Bahn getretene Laserenergie sammelt, und

    eine Detektoreinrichtung, die von der Energiesammeleinrichtung gesammelte Laserenergie erfaßt,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die Laserenergiequelle (10) mehrere Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge und ein optisches System (20) aufweist, das die Strahlen der Laserdioden zu dem Laserenergiestrahl bündelt, und

    daß die Detektoreinrichtung (60; 80) mehrere, für die unterschiedlichen Wellenlängen der Laserdioden empfindliche Detektoren aufweist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (60; 80) die an beiden Enden der Energiesammeleinrichtung (50; 70) austretende Energie erfaßt und die jeweils für eine Wellenlänge erfaßten Energien kombiniert.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesammeleinrichtung mehrere in Querrichtung der Bahn aneinander gereihte Abschnitte (100, 110; 120, 130, 110) aufweist und daß die Detektoreinrichtung die an beiden Enden der Abschnitte austretende Energie erfaßt und die jeweils für eine Wellenlänge erfaßten Energien kombiniert.
  4. 4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren der Detektoreinrichtung auch nicht mit der Bahn in Wechselwirkung getretene Laserenergie als Referenzwerte erfassen.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesammeleinrichtung (50; 70) über die Breite der zu messenden Bahn hinausragt und der Laserenergiestrahl zum Gewinnen der Referenzwerte über eine Strecke abgelenkt wird, die länger als die Breite der Bahn (40) ist.
  6. 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren der Detektoreinrichtung über Lichtleiter mit der Energiesammeleinrichtung verbunden sind.
  7. 7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesammeleinrichtung (50) mit dem abgelenkten Laserenergiestrahl ausgerichtet ist und durch die Bahn (40) hindurchgetretene Laserenergie sammelt.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesammeleinrichtung (70) auf der der Ablenkeinrichtung (30) zugewandten Seite der Bahn (40) angeordnet ist und von der Bahn diffus reflektierte Laserenergie sammelt.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des über die Bahnbreite hinaus abgelenkten Laserenergiestrahl eine Reflexionseinrichtung, die die nicht mit der Bahn in Wechselwirkung getretene Laserenergie zu der Energiesammeleinrichtung reflektiert.
  10. 10. Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesammeleinrichtung ein Metallrohr mit polierter Innenfläche und einem Längsschlitz als Eintrittsfenster aufweist.






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