DE3751473T2

DE3751473T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Stärke bandförmiger Materialien.

Info

Publication number: DE3751473T2
Application number: DE3751473T
Authority: DE
Inventors: Leonard M Anderson; John Douglas Goss; Paul Joseph Houghton
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2007-07-16
Also published as: DE3787227D1; KR880002006A; EP0253644A3; FI873167A0; JP2735547B2; EP0541518A2; EP0541518B1; FI92108C; EP0253644B1; DE3787227T2; JPS63106556A; EP0541518A3; DE3751473D1; EP0253644A2; KR930007319B1; FI92108B; IE940431L; FI873167L

Description

Zu den für Hersteller und Benutzer wichtigen kritischen Eigenschaften von Papier und anderen Bogenmaterialien gehört die Festigkeit. In der Vergangenheit wurden schon viele verschiedene Methoden zum Messen der Festigkeit vorgeschlagen, die aber praktisch alle einen großen Nachteil haben, namlich den, daß die Prüfungen zerstdrend sind und nicht prozeßgekoppelt verwendet werden konnen. Es wurde eine Anzahl genormter Prüfungen entwickelt, um eine Grundlage für Spezifikationen vorzusehen, nach denen Papier ge- und verkauft werden kann, und diese Prüfungen liefern arbiträre, aber trotzdem nützliche Festigkeitszahlen zum Vergleichen der Festigkeiten verschiedener Papiere. Leider handelt es sich bei allen um Zerstörungsprüfungen, und keine von ihnen kann prozeßgekoppelt verwendet werden.
Zwei Probleme, die das prozeßgekoppelte Festigkeitsmessen erschweren, entstehen aufgrund der Tatsachen, daß die Festigkeit von Papier über die Breite des produzierten Bogens variert und auch in der Maschinenrichtung und der Querbogenrichtung unterschiedlich ist. Da die Papierherstellung ein schneller Dauerprozeß ist, können leicht große Mengen Papier produziert werden, bevor die Festigkeit durch eine spätere Messung bestätigt werden kann.
Festigkeitsspezifikationen für Papier werden gewöhnlich gemäß einer empirischen Zerstörungsprüfung angegeben, wobei die üblicheren dieser Prüfungen ein genormter Zugversuch, die sogenannte "STFI"-Druckprüfung, und die Berstdruck"- oder "Berstfestigkeitsprüfung sind.
Beim Standardzugversuch wird ein Papierstreifen zwischen zwei Klemmen gehalten und mit vorbestimmter Geschwindigkeit gespannt. Die Spannung am Ausfallpunkt wird als ein Maß der Zugfestigkeit des Papiers betrachtet. Es gibt eine Anzahl von genormten Verfahren, die zur Durchführung dieser Prüfung angenommen wurden, z.B. TAPPI- Norm T404os-76 und ASTM-Norm D828.
Die "STFI"-Druckprüfung für schwere Papiere ist eine genormte Prüfung, deren Verfahren vom Schwedischen Technischen Forstinstitut festgelegt wurde, wie von den Identifizierungen angegeben: Scan P46 Spalte 83. In dieser Prüfung wird ein zu prüfender Papierstreifen zwischen einem Paar Klemmen gehalten, die mit einer festgesetzten Geschwindigkeit aufeinander zu bewegt werden, wahrend die Druckkraft überwacht wird. Der "Bruch" tritt ein, wenn die Druckkraft einen Spitzenwert erreicht hat und dann abzufallen beginnt. Die Kraft am "Bruchpunkt" wird als die Druckfestigkeit des Papiers genommen. Andere Normenspezifikationen für diese Prüfung sind z.B. TAPPI 7818os-76 und ASTM D1164.
Die Papierfestigkeiten, wie mit den vorhergehenden Prüfungen gemessen, haben normalerweise unterschiedliche Werte, je nachdem, ob der Teststreifen in Maschinenrichtung oder in Querrichtung geschnitten ist.
Eine Berstfestigkeits- oder Berstdruckprüfung wird durch Einspannen einer Papierprobe zwischen zwei kreisförmigen Spannringen mit einem vorgeschriebenen Standardinnendurchmesser und das Aufbauen von Druck auf einer Seite des Papiers bis zum Bersten das Papiers (unter Verwendung einer Gummimembran und Flüssigkeitsdruck) durchgeführt. Der zum Bersten des Papiers erforderliche Druck wird "Berstdruck" genannt und ist die Zahl, die oft zum Angeben der erforderlichen Festigkeit verwendet wird. Gewöhnliche Berstdruckspezifikationen sind TAPPI 403os-76 und ASTM D774.
Natürlich bietet sich keine dieser Prüfungen zur Verwendung in Verbindung mit dem Dauermessen der Papierfestigkeit an. Aufgrund ihrer weitverbreiteten Beliebtheit ist es aber wunschenswert, da.u jede zum Messen der Festigkeit von Papier verwendete Methode Ergebnisse liefert, die mit einer der anerkannten Standardprüfungen korrelieren.
Von Natur aus ist eine Messung der Festigkeit von Papier oder anderem Bogenmaterial zerstörend. Glücklicherweise haben wir jedoch festgestellt, daß Festigkeit mit Faktoren zusammenhängt, die auf einer kontinuierlichen Basis mit zerstörungsfreien Mitteln gemessen werden kann. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum zerstörungsfreien Bestimmen der Festigkeit von Papier und ähnlichen hergestellten Bogenmaterialien vorzusehen, das prozeßgekoppelt verwendet werden kann, d.h. wahrend der Herstellung des Papiers bzw. des anderen Bogenmaterials.
Ein System und Verfahren zum kontinuierlichen Messen der Festigkeit eines sich bewegenden Bogens wird in der europäischen Patentanmeldung Nr. 86400930 beschrieben, die nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde. Die beschriebene Vorrichtung verwendet die Spannung, das Elastizitätsmodul und die Festigkeit des Bogens beim Durchlaufen zwischen erster und zweiter Rolle. Das System weist Belastungsmeßvorrichtungen zum Messen der Belastung des Bogens an einer Mehrzahl von Punkten zwischen der ersten und zweiten Rolle und zum Erzeugen von der gemessenen Belastung entsprechenden Signalen auf. Es sind Recheneinrichtungen zum Empfangen der Signale von den Belastungsmeßvorrichtungen und zum Bestimmen der Festigkeit des Bogens vorgesehen, wobei die Festigkeit von mindestens einem Punkt im Verhältnis zur Festigkeit von mindestens einem anderen Punkt gemessen wird.
Beispiele bekannter Vorrichtungen zum Prüfen der Festigkeit/Qualität von Schreibwaren-Bogenmaterial, ohne den Bogen zu zerreißen, werden im US-Patent Nr. 2,966,792 und im Schweizer Patent Nr. 475679 beschrieben. Letzteres bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen Echtheitsprüfung von Banknoten, bei dem die Verformung einer Banknote unter einem vorbestimmten aufgebrachten Druck gemessen und als einer der Parameter beim Messen der Banknotenpapierqualität verwendet wird.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Fühler zum zerstörungsfreien Bestimmen einer physikalischen Eigenschaft eines in Bewegung befindlichen Materialbogens vorgesehen, der folgendes umfaßt:
(a) ein Berührungsmittel zum Stützen einer Seite des in Bewegung befindlichen Materialbogens gegen eine Ablenkkraft, wobei das genannte Berührungsmittel um einen ungestützten Bereich herum angeordnet ist, in den der Bogen abgelenkt werden kann;
(b) Ablenkmittel zum Vorsehen einer zerstörungsfreien Ablenkkraft zum Ablenken des Bogens in den ungestützten Bereich;
(c) eine Ablenkungsfühlvorrichtung zum Ertasten der Entfernung, um die der Bogen innerhalb des ungestützten Bereichs abgelenkt wird, und zum Vorsehen eines darauf ansprechenden Signals; und
(d) eine der Fühlvorrichtung funktionsmäßig zugeordnete Recheneinrichtung zum Errechnen der physikalischen Eigenschaft des genannten Bogens auf der Grundlage von mindestens der Ausgabe der Fühlvorrichtung.
Die Hauptfaktoren, die die Festigkeit von Papier beeinflussen, z.B. seine Flächenmasse und seine Dicke, wirken sich auch auf das Elastizitätsmodul und die Biegesteifigkeit des Bogens aus. Wir haben festgestellt, daß diese letzteren Faktoren in einem unter Spannung stehenden Bogen so gefühlt werden können, daß die Ist- Festigkeit eines Bogens durch Berechnen von der Ausgabe des Fühlers bestimmt werden kann. Die bevorzugte Form des verwendeten Festigkeitsfühlers erfaßt eine Eigenschaft des Papiers, die als "Elastizitätsmodul" bezeichnet wird, da sich die Eigenschaft auf das Modul bezieht, aber eigentlich kein Maß des Elastizitätsmoduls des Bogens selbst ist. Der Begriff "Elastizitätsmodul" wird in Anführungszeichen gesetzt, um anzuzeigen, daß die Funktion zwar mit dem Elastizitätsmodul verwandt ist, in Wirklichkeit aber ein empirisch abgeleiteter Faktor ist, der auch noch von anderen Eigenschaften, wie der Biegesteifigkeit, abhängt. In jeder Papierherstellungsanlage wird die Festigkeit des resultierenden Produktes auch jeweils durch ein Andern der Bahngeschwindigkeit beeinflußt.
Das Elastizitätsmodul läßt sich direkt auf einer sich bewegenden Papierbahn bzw. anderem Bogeninaterial nur schwer, wenn uberhaupt, messen. Die vorliegende Anmeldung beschreibt jedoch einen Fühler, der eine mit dem Elastizitätsmodul verwandte physikalische Eigenschaft des Bogens fühlen kann und eine Ausgabe vorsehen kann, die, wenn zusammen mit anderen Faktoren wie einem oder mehreren von Bogenflächenmasse, Dicke, Bogenspannung und - geschwindigkeit verwendet, dazu verwendet werden kann, die Bogenfestigkeit kontinuierlich und zerstörungsfrei zu bestimmen. Dieser Fühler kann einen Meßwert liefern, die eine Festigkeitsbestimmung erlaubt, die mit der weitverbreiteten Berstfestigkeitsprüfung gut korreliert. In der vorliegenden Anmeldung wird ein Fühler beschrieben, der nicht nur eine Berstfestigkeitsbestimmung erlaubt, sondern auch getrennte Bestimmungen von Zugfestigkeit und Druckfestigkeit in Maschinen- und Querrichtung gestattet.
Das Ablenkmittel weist vorzugsweise ein sich frei drehendes Rad auf.
Das Berührungsmittel weist vorzugsweise einen Ring auf, der einen kreisformigen ungestützten Bereich definiert.
Die Ablenkkraft ist vorzugsweise im wesentlichen konstant.
In einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist die gemessene physikalische Eigenschaft die Ausfallfestigkeit, wobei die Computereinrichtung die Ausfallfestigkeit vorzugsweise auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnet:
S = AZH + E,
wobei A, E und H = Konstanten;
Z = Ablenkung; und
S = Festigkeit sind.
Der "Elastizitätsmodul"-Fühler in dar derzeit bevorzugten Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein/einen Bogen- (oder "Bahn"-) -Berührungsmittel oder -Stützring, der in vier Segmente geteilt ist, wobei jedes Segment etwa 90 Grad des Rings einnimmt. Jedes Segment wird von einem Paar Blattfedern und einer Fühlvorrichtung, wie einer Meßdose, getragen, so daß eine erste Vorrichtung, wie ein auf den Bogen in der Mitte des Rings wirkendes frei laufendes Rad, den Bogen ablenkt und eine Ausgabe von jeder der vier Meßdosen bewirkt, wobei der Ausgangspegel teilweise von Bogeneigenscbaften abhängt. Die vier Segmente sind so ausgerichtet, daß zwei Maschinenrichtungseigenschaften gegenüber empfindlich sind. Ein auf den Bogen in der Mitte des Stützrings drückendes frei laufendes Rad liefert die Kraft, die zu jeder Meßdose übertragen wird.
Ein Computer nimmt die Ausgaben von jeder der Meßdosen an und kann auch Ausgaben von einem oder mehreren anderen Fühlern annehmen, die Flächenmasse, Bogendicke, Geschwindigkeit, Spannung und bestimmte Korrekturfaktoren abtasten. Der Computer berechnet die Bogenfestigkeit unter Verwendung dieser Signale gemäß gewissen empirischen Gleichungen, die entwickelt wurden.
Es sollte verstanden werden, daß hier zwar Bezug genommen wird auf eine spezifische genormte Prüfung, daß diese Bezugnahme aber nur beispielsweise und nicht einschränkend aufzufassen ist. Die vorliegende Erfindung kann eingesetzt werden, um Bestimmungen vorzusehen, die gut mit einer breitgefächerten Palette genormter Zug-, Druck- und Berstdruckprüfungen korrelieren. Alternativ kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um eine arbiträre Festigkeitszahl vorzusehen, die Festigkeitsvergleiche, wie zwischen Produkten, von jedem existierenden genormten System unabhängig zuläßt.
Ein eindeutiges Verständnis der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Erläuterung der derzeit bevorzugten Ausbildungsformen der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen erreichbar.

Kurze Erläuterung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht des Fühlerteils der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie in einer Papierherstellungsmaschine installiert.
Figur 2 ist eine teilweise Querschnitts-Seitenansicht des Fühlers zum Abtasten des "Elastizitätsmoduls" des Papiers.
Figur 3 ist eine Drauf sicht des Teils des unteren Meßgerätstützelements im Bereich des Fühlerrings.
Figur 4 ist eine bruchstückartige Querschnittsansicht des Fühlerrads.
Figur 5 ist ein Blockdiagramm einer Ausbildungsform des elektronischen Teils der Erfindung.
Figur 6 ist eine teilweise Querschnitts-Seitenansicht einer zweiten Ausbildungsform eines "Elastizitätsmodul"- Fühlers.
Figur 7 ist eine teilweise Querschnitts-Seitenansicht einer dritten Ausbildungsform eines "Elastizitätsmodul" Fühlers.
Figur 8 ist eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Vorsehen eines auf die Bahnspannung ansprechenden Signals.
Papier und andere bogenähnliche Materialien werden gewöhnlich von schnellaufenden Maschinen in einem oftmals mehrere hundert Fuß langen, ununterbrochenen Bogen hergestellt. Zu dem Verfahren zum Herstellen von Papier gehört das Legen einer nassen Zellstoffmasse auf ein sich bewegendes Drahtgewebeband, das Trocknen der Masse und abschließend das Satinieren des Bogens auf Kalandern, um ihm die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit zu verleihen. Die vorliegende Erfindung wird am vorteilhaftesten zur Überwachung der Papierfestigkeit nach dem abschließenden Satiniervorgang und vor dem Aufrollen des Papiers auf die Endrolle verwendet. Ein Aufrollmotor hält eine konstante Spannung im Bogen zwischen dem Kalander und der Wiederaufwickelrolle aufrecht. Da die Festigkeit des produzierten Papiers sowohl quer über den Bogen als auch am Bogen entlang variieren kann, gehört zur vorliegenden Erfindung vorzugsweise die Verwendung eines Abtastsystems, wodurch die Fühler das Papier quer über seine Breite abtasten, während das Papier aus dem Kalander heraus- und in das Wiederaufwickelsystem eingeführt wird. Auf diese Weise können die Festigkeitsvariationen, von einer Seite zur anderen, sowie die Festigkeit des Papiers an jedem Abschnitt entlang seiner Länge bestimmt werden.
Figur 1 zeigt eine Abtaststation 10, die, wie oben bemerkt, vorzugsweise nach den abschließenden Kalanderwalzen und vor dem Wiederaufwickelsystem angeordnet ist. Es ist eine Papierbahn 11 zu sehen, die die Abtaststation 10 zwischen zwei Querträgern 21 und 22, auf denen obere und untere Meßgerätstützelemente 23 und 24 montiert sind, durchläuft. Die Papierbahn 11 in Fig. 1 ist mit einem Ausschnitt dargestellt, so daß die Beziehung zwischen den Meßgerätstützelementen sichtbar ist. Der Motor in der Abtaststation ist an die Meßgerätestützelemente 23 und 24 angekoppelt und fährt diese in einer kontinuierlichen Abtastbewegung über die Breite des Papiers hin und her, wobei er sie jederzeit fluchtend hält.
Die Meßgerätstützelemente können vier oder mehr Fühlersätze tragen, um Daten zu erhalten, die zur Berechnung der Papierfestigkeit verwenclet werden können. Vier Faktoren, die verwendet werden können, sind Flächenmasse, Dicke, "Elastizitätsmodul" und Bahngeschwindigkeit. Vorrichtungen zum Bestimmen von Flächenmasse, Dicke und Papiergeschwindigkeit sind im Stand der Technik alle bekannt und werden deshalb weder auf den Zeichnungen separat gezeigt noch hier einzeln besprochen. Dicke und Papiergeschwindigkeit sind relativ einfach zu messen, und im Stand der Technik sind viele Methoden hierfür bekannt. Die Flächenmasse ist eine kompliziertere Angelegenheit, das Bossen et al erteilte U.S.-Patent Nr. 3,757,122 beschreibt aber eine geeignete Methode.
Der vierte Fühler liefert Daten, die sich auf das "Elastizitätsmodul" des Papiers beziehen. Ein derartiger "Elastizitätsmodul"-Fühler, der zum Feststellen einer physikalischen Eigenschaft des Bogens, die mit der Bogenbzw. Papierfestigkeit korreliert werden kann, verwendet wird, ist in Fig. 2 dargestellt. In den einzelnen abgebildeten Ausbildungsformen des Fühlers kann die Eigenschaft durch Erfassen der zum Ablenken des Bogens um einen vorbestimmten Wert erforderlichen Kraft oder durch Erfassen der Ablenkung des Bogens, wenn er einer vorbestimmten Kraft ausgesetzt wird, abgetastet werden. Beide Methoden liegen innerhalb des breiten Rahmens der Erfindung.
Der "Elastizitatsmodul"-Fühler wird von den Meßgerätstützen 23, 24 getragen. Fig. 2 zeigt diesen Fühler in einer Seitenansicht teilweise in Querschnitt. Die untere Meßgerätstütze 24 stützt einen segmentierten horizontalen Ring 26A-26D, dessen Oberseite vorzugsweise mit der Papierbahn 11 fluchtet. Ein Ring wie Ring 26 ist zwar die bevorzugte Stützmethode, es kdnnten aber auch andere Formen von Berührungskonstruktionen verwendet werden, die das Papier in der Nähe eines zentralen, ungestützten Bereichs berühren.
Der in Fig. 2 abgebildete Festigkeitsfühler liefert ein stabiles, relativ direkt mit der Festigkeit des Bogenmaterials verwandtes Signal. Ein derartiger Fühler ermöglicht auch eine separate Festigkeitsbestimmung in der Querrichtung und der Maschinenrichtung und minimiert unter gewissen Umständen die Notwendigkeit für spannungskorrigierende Signale.
Die obere Meßgerätstütze 23 trägt eine erste Vorrichtung, wie die Halter 31 und Rad 29 umfassende Druckradbaugruppe. Der Bolzen 32 läßt dem Rad Bewegungsfreiheit nach oben und unten, während nicht abgebildete Lager an der Achse 30 zuläsen, daß sich das Rad frei dreht. Die Auf- und Abbewegung des Rads 29 wird von dem Luftzylinder 33 gesteuert. In seiner ausgefahrenen Stellung positioniert der Luftzylinder 33 den unteren Teil des Umfangs des Rads 29 in einer festen Entfernung unter der Oberseite von Ring 26, und der Bogen und der Ring 26 stehen in einer zusammenwirkenden Beziehung zueinander. Beispielsweise, und nicht zur Beschränkung, kann eine zufriedenstellende Position für den untersten Punkt am Rad 29 1/4 Inch unter der Oberseite von Ring 26 sein, wenn die Durchmesser von Rad 29 und Ring 26 jeweils etwa 5 Inch betragen. Es ist zudem auch möglich, die Teile wie in Figur 2 gezeigt umzukehren, so daß sich der Ring 26 über dem Bogen und das Rad 29 unter dem Bogen befindet. In einer vorliegenden Form der Erfindung sind die Teile so angeordnet.
Der Umfang von dem Rad 29 ist vorzugsweise nicht zylindrisch, sondern vorzugsweise eher etwa kugelförmig. Das heißt, daß der Radius R, wie in Figur 4 gezeigt, vorzugsweise etwa gleich einer Hälfte des Raddurchmessers ist. Beim Einziehen des Luftzylinders 33 wird das Rad 29 aus dem Weg bewegt, so daß eine Papierbahn 11 bei der anfänglichen Einstellung leicht durch die Abtaststation hindurchgeführt werden kann. Während des Betriebs ist der Luftzylinder 33 ausgefahren und auf den Bogen wird so eingewirkt, daß er sich aus einem normalen Weg zu einem abgelenkten Weg im Festigkeitsfühler bewegt.
Der Fachmann wird verstehen, daß hier zwar ein frei laufendes Rad zum Zweck des Ablenkens des Papiers unter der Oberseite von dem Ring 26 beschrieben wird, daß zum Erfüllen der gleichen Aufgabe aber auch andere Konstruktionen eingesetzt werden können.
Figur 3 ist eine Draufsicht des Teils des unteren Meßgerätelements, das den segmentierten Ring 26 stützt. Bei Bezugnahme auf Figur 2 und Figur 3 ist es ersichtlich, daß der Ring 26 vier Segmente 26A-26D umfaßt, die jeweils von einem Paar beabstandeten Blattfedern 27 und 28 gestützt werden. Die Blattfedern 27, 28 beschränken die Segmente 26A-26D auf geradlinige vertikale Bewegung. Verbindungsbolzen 40 verbinden jedes Segment mit Meßdosen 41A-41D, die Ausgaben liefern, die eine Funktion der auf die Ringsegmente wirkenden Papierkraft sind. Die auf jedes der Segmente 26 ausgeübte Kraft ist eine Funktion mehrerer Faktoren, darunter der Spannung auf dem Bogen, des Elastizitätsmoduls des Papiers, der Biegesteifigkeit des Papiers und der physikalischen Abmessungen der Meßkomponenten. Das Elastizitätsmodul und die Biegesteifigkeit des Papiers können in der Maschinenrichtung im Vergleich zur Querrichtung unterschiedlich sein, so daß die auf Meßdosen 41A und 41C aufgebrachte Kraft nicht unbedingt die gleiche Kraft ist wie die auf Meßdosen 418 und 41D aufgebrachte. Der Spannungsunterschied zwischen der Maschinenrichtung und der Querrichtung resultiert ebenfalls in einem Kraftunterschied.
Ich habe festgestellt, daß zwischen der auf die Meßdosen 41a und C auf gebrachten Kraft und der Festigkeit des Papiers in Maschinenrichtung eine Korrelation besteht, und daß auch zwischen der auf die Meßdosen 41B und D aufgebrachten Kraft und der Festigkeit dem Papiers in Querrichtung eine Korrelation besteht.
Um eine Festigkeitsbestimmung vorzunehmen, werden die Ausgaben von Meßwertaufnehmern 41A-D einem Computer 50 (Fig. 5) zugeführt, der auch Signale von den anderen oben genannten Fühlern erhalten kann. Der Computer 50 liefert durch wiederholte Berechnungen kontinuierliche Bestimmungen der Festigkeit des Papiers während seinei Herstellung. Es wurden empirische Gleichungen entwickelt, die mit normalen Prüfungen der Festigkeit in Maschinenrichtung und in Querrichtung und auch mit der nicht richtungsabhängigen normalen Berstdruck- oder Berstfestigkeitsprüfung gut korrelieren.
Die Genauigkeit der entwickelten Grundgleichungen hängt davon ab, daß die Flucht der Oberseite des Rings 26 mit der Papierbahn 11 beim Hineinführen der Bahn in die Abtaststation 10 oder beim Herausführen der Bahn aus der Abtaststation heraus eben gehalten wird. Wenn die ankommende Bahn 11 hoher oder niedriger liegt als die Oberseite des Rings 26, muß die Grundgleichung korrigiert werden, um eine genaue Bestimmung der Papierfestigkeit zu erhalten. Ich habe festgestellt, daß eine zufriedenstellende Korrektur gemacht werden kann, indem ein additiver Faktor, der eine Funktion der Differenz zwischen den auf Meßwertaufnehmer 41a und 41c aufgebrachten Kräften ist, eingesetzt wird.
Vollständige empirische Gleichungen zum Bestimmen richtungsabhängiger Papierfestigkeiten sind wie folgt:
wobei
Smd die Festigkeit des Papiers in Maschinenrichtung ist;
Scd die Festigkeit des Papiers in Querrichtung ist;
A, B, C, D, E, F, G und H Konstanten sind;
La bis Ld auf die Meßwertaufnehmer 41A bis 41D aufgebrachte Momentankräfte sind;
a bis d die auf die Meßwertaufnehmer 41A bis 41D über die Breite des Papiers aufgebrachte Durchschnittskräfte sind;
W die Flächenmasse des Papiers ist;
T die Dicke des Papiers ist; und
V die Geschwindigkeit ist, mit der das Papier den Kalander verläßt.
Es wurde festgestellt, daß die obigen Gleichungen sowohl mit den Standardzugversuchen als auch den Standard- STFI-Prüfungen für Papierfestigkeit, die beide häufig verwendet werden, gut korrelieren. Die Konstanten A bis H variieren in Abhängigkeit davon, welche Prüfung simuliert wird. Der letzte additive Faktor in jeder der obigen Gleichungen stellt die Korrektur für Bahnfehlausrichtung dar.
Eine Modifikation der Gleichungen (1) und (2) läßt die Verwendung des Systems zum Bestimmen dem Berstfestigkeit des Papiers zu:
wobei
Smu die Berstfestigkeit ist.
Alle anderen Faktoren sind die gleichen wie in den Gleichungen (1) und (2).
Die obigen Gleichungen haben sich als auf eine breitgefächerte Palette von hergestellten Papieren zutreffend erwiesen. Die Konstanten A, B, C, D, E und F variieren zwar etwas in Abhängigkeit von dem jeweils hergestellten Papier und der jeweils simulierten Prüfung, im allgemeinen fallen sie aber in die folgenden Bereiche (wobei die Flächenmasse in Pfund pro 1000 Quadratfuß, Dicke in Milli-Inch und Geschwindigkeit in Fuß pro Sekunde angegeben ist):
A von 20 bis 22
B von 0,5 bis 5
C von 0 bis 0,07
D von 0,5 bis 5
E von 1 bis 2
F von -1 bis +1
Die Konstanten G und H mussen empirlsch bestimmt werden, da sie stark von der jeweiligen Einstellungssituation abhängen.
Es kann bemerkt werden, daß die Glieder der obigen Gleichungen, die La bis Ld betreffen, die Form eines Verhältnisses mit a bis d haben. Dies gibt an, daß das "Elastizitätsmodul" hauptsächlich ein Indikator dafür ist, wie Festigkeit über die Breite des Papiers variiert, während die durchschnittliche Festigkeit hauptsächlich als eine Funktion von Flächenmasse, Dicke und Bahngeschwindigkeit bestimmt wird.
Die Maschinensteifigkeit ist ein wichtiger Faktor bei der Aufrechterhaltung der Meßgenauigkeit. Insbesondere ist es wichtig, daß der unterste Punkt am Umfang des Rads 29 auf einem konstanten Abstand unter der Oberseite des Rings 26 gehalten wird. Wenn die mechanische Steifigkeit der Struktur so ist, daß der Abstand nicht eingehalten werden kann, konnen Fühlervorrichtungen leicht ägepaßt werden, um die relativen Positionen von Rad 29 und Ring 26 abzutasten und eine Korrektur der Festigkeitsgleichung zur Berücksichtigung von Abweichungen anzuwenden. Ein herkömmlicher Fühler für diesen Zweck ist in Figur 2, gekennzeichnet durch die Nummer 39, graphisch dargestellt. Die Ausgabe von dem als "Z" bezeichneten Verschiebungsfühler 39 liefert ein Signal, das von der Abweichung der relativen Positionen von Rad 29 und Ring 26 von ihrer Nennposition abhängt, und kann zur Modifikation der Festigkeitsgleichung verwendet werden. Wenn beispielsweise Gleichung (1) benutzt würde, wäre die erste Seite der Gleichung:
wobei f(Z) eine empirische Funktion der Ausgabe von Fühler 39 ist.
Wir haben außerdem auch festgestellt, daß es durch geeignetes Kombinieren der Ausgaben von Meßdosen 41A bis 41D möglich ist, eine prozeßgekoppelte Bestimmung vorzunehmen, die mit der Standard-Berstfestigkeitsprüfung genau korreliert. Für eine solche Bestimmung werden die Ausgaben von Meßdosen 41A bis 41D zusammen mit der Ausgabe des Verschiebungsfühlers 39 (Z) in einen Computer 50 eingespeist. Der Computer 50 berechnet die Berstfestigkeit. Die derzeit vorgezogene Gleichung, die zur Festigkeitsbestimmung verwendet werden kann, ist:
wobei
Smu die Berstfestigkeit des Papiers ist;
A, B, C, D, E, F, G, H und J Konstanten sind;
La, Lb, Lc bzw. Ld die Ausgangssignale der jeweiligen Meßdosen 41A bis 41D sind;
Te eine die Bahnspannung repräsentierende Zahl ist; und
Z die Ausgabe von Verschiebungsfühler 39 ist.
Wenn die Meßgerätstützelemente mit angemessener Steifigkeit gehalten werden, so daß zwischen Elementen 23 und 24 eine ausreichend kleine relative Bewegung besteht, wird der Fühler 39 nicht benötigt, und die Glieder C + Z und D + Z konnen durch Konstanten ersetzt werden. Wenn auf ähnliche Weise die Spannung in der Bahn nicht wesentlich schwankt, können die Glieder Te+F und Te+G durch Konstanten ersetzt werden. Wenn also in einer bestiinmten Anlage die Variationen aufgrund eines Mangels an Steifigkeit und Spannungsvariationen niedrig genug sind, konnte Gleichung (4) die folgende Form haben:
Der Wert der Konstanten in den Gleichungen (4) und (4a) hängt natürlich von der betreffenden Anlage und den Umständen ab. Sie werden empirisch bestimmt und sind im allgemeinen bei der Verwendung in Gleichung (4) im Vergleich zu Gleichung (4a) unterschiedlich. Die Verwendung der Exponenten H und J darf nicht so aufgefaßt werden, als ob sie einen Wert anzeigen, der notwendigerweise anders ist als 1. In einigen Fällen, je nach der Anlage und den Umständen, können einer oder beide dieser Exponenten 1 sein. Darüber hinaus sind die Konstanten eventuell nur echt konstant (innerhalb der gewunschten Meßgenauigkeit), wenn die Prozeßvariationen relativ klein sind, d.h. innerhalb der während der Herstellung einer einzigen Papierqualität normal auftretenden Bereiche. Ungewohnlich große Variationen in einer oder mehreren der Prozeßvariablen erfordern es eventuell, daß eine oder mehrere der "Konstanten" der Gleichung berichtigt werden, um die Variation zu berücksichtigen.
Im Fachgebiet sind viele Arten zum Anlegen eines Signals an einen Computer 50, das eine Funktion der Bahnspannung ist, bekannt. Ein derartiges System ist in Figur 8 schematisch dargestellt. Wie gezeigt, wird die Bahn 11 um drei Walzen 45, 46 und 47 herumgeführt. Die Walzen 45 und 46 sind relativ zur Papierherstellungsmaschine befestigt und die Walze 47 wird durch den Kraftaufnehmer 48 am Bewegen in einer vertikalen Richtung gehindert. Die Ausgabe von dem Kraftaufnehmer 48 ist eine Funktion der Spannung von der Bahn 11 und kann dazu verwendet werden, die Menge Te zu erhalten.
Während die obigen Gleichungen Festigkeitswerte ergeben, die mit der Berstfestigkeit korrelieren, wie bemerkt, wird es für den Fachmann klar sein, daß es unter Verwendung der Festigkeitsfühlerausgaben in Verbindung mit verschiedenen Gleichungen möglich ist, andere Zahlen zu erhalten, die ebenfalls die Festigkeit repräsentieren, auch wenn diese anderen Zahlen eventuell nicht mit der Berstfestigkeit korrelieren.
Wenn beispielsweise eine Bestimmung der Zugfestigkeit in Maschinenrichtung und/oder in Querrichtung gewünscht wird, können Gleichungen in den folgenden Formen verwendet werden:
wobei Smd und Scd die Zugfestigkeit in Maschinenrichtung bzw.
die Zugfestigkeit in Querrichtung sind; und die anderen Glieder wie bereits definiert sind.
Durch die richtige Wahl der Konstanten können die Gleichungen (5) und (6) Bestimmungen ergeben, die mit Standard-Zugversuchen gut korrelieren. In den Gleichungen 4, 4a, 5 und 6 werden zwar die gleichen Buchstaben (A, B, C etc.) zum Darstellen von Konstanten verwendet, es darf aber nicht davon ausgegangen werden, daß die in diesen Gleichungen verwendeten Konstanten notwendigerweise auch die gleichen Werte haben. Wie oben bemerkt, hängen die Istwerte der Konstanten jeweils von der betreffenden Anlage und den betreffenden Umständen ab. Die Bemerkungen oben bezüglich der Modifikation von Gleichung (4) aufgrund der Wirkungen von Steifigkeit und Spannung gelten auch für die Gleichungen (5) und (6), und ähnliche vereinfachte Gleichungen können verwendet werden, wenn Steifigkeits und/oder Spannungsvariationen klein genug sind. Das bedeutet, daß die Glieder im Nenner des ersten Glieds der Gleichungen durch eine Konstante ersetzt werden konnten.
Eine teilweise Querschnittsansicht eines zweiten, für die Verwendung im erfindungsgemäßen System geeigneten Fühlertyps ist in Figur 6 abgebildet. Der Hauptunterschied zwischen dem Fühler in Figur 6 und dem in Figur 2 und Figur 3 abgebildeten liegt darin, daß nur eine einzige Meßdose 42 verwendet wird, die eine Ausgabe liefert, die die Kraft zwischen Rad 29 und Bogen 11 repräsentiert, anstatt der Kräfte zwischen Bogen 11 und jedem der Segmente von Ring 26. In der Ausbildungsform von Figur 6 kann, da keine Meßgeräteausrüstung des Rings erforderlich ist, ein unsegmentierter Ring 26' verwendet werden, der am Meßgerätträger 24' fest montiert ist. Der Halter 31' gleicht dem Halter 31 mit Ausnahme dessen, daß er einen Ausschnitt zur Aufnahme von Meßdose 42 aufweist und durch Schlitz 34 und Bohrung 35, was einen dünnen flexiblen Teil 36 übrigläßt, deformationsfähig gemacht ist. Die zwischen Bogen 11 und Rad 29 wirkende Kraft wird so durch den Verbindungsbolzen 43 von der Meßdose 42 ertastet.
Unter Verwendung des Fühlers von Figur 6 kann man mit der folgenden Gleichung eine Festigkeitsbestimmung erhalten, die mit der Berstfestigkeitsprüfung korreliert werden kann:
wobei Le die Belastung an der Meßdose 42 ist und
die anderen Glieder wie bereits definiert sind.
Eine Gleichung wie Gleichung 7 kann auch in Verbindung mit dem Fühler von Figur 2 verwendet werden, wobei Le die Belastung an einem der Meßwertaufnehmer 41 oder ein Durchschnitt oder eine Summe der Ausgaben von zwei oder mehr davon sein kann.
Wenn die Maschinensteifigkeit und/oder Variationen der Spannung für die erforderliche Genauigkeit niedrig genug sind, dann konnen die Glieder (C+Z) und/oder (Te+F) durch Konstanten ersetzt werden, was die folgende Gleichung ergibt:
wobei
S ein Maß der Festigkeit des Bogens ist;
L die Belastung an der/den verwendeten Meßdose(n) ist; und
A, C, E und H Konstanten sind.
Für optimale Genauigkeit wurde es unter einigen Umständen wünschenswert gefunden, die durch die Gleichungen 4-7 bestimmten Festigkeitswerte zu modifizieren.
Insbesondere konnen Variationen in der Flächenmasse und Bogendichte die Quelle von Ungenauigkeiten bei den erhaltenen Ergebnissen sein, und eine Form einer modifizierten Gleichung, die zum Erhalten genauerer Ergebnisse verwendet werden kann, ist:
Scorr = K(ln(BW) + M(d-do)N + Smeas (8)
wobei
Smeas die mit Gleichungen 4-7 bestimmte Festigkeit ist;
Scorr der korrekte Festigkeitswert ist;
ln(BW) der natürliche Logarithmus der Flächenmasse des Bogens ist;
d und do die Ist- und die Nenndichte des Bogens sind; und K, M und N Konstanten sind.
Die vorhergehenden Gleichungen beziehen sich auf Ausbildungsformen der Erfindung, wobei ein Meßdosen-Fühler zur Anwendung kommt. Wie erwähnt, liegt es im breiten Rahmen der Erfindung, andere verwandte Fühler einzusetzen, die ein Signal liefern, das eine physikalische Eigenschaft repräsentiert, die mit der physikalischen Festigkeit des Bogenmaterials korreliert werden kann. Das Erfassen der Ablenkung des von einer relativ konstanten Kraft (z.B. der Masse des Rads 29) belasteten Bogenmaterials liefert ein solches Signal. In den bereits erläuterten Ausbildungsformen der Erfindung wird das Bogenmaterial um ein vorbestimmtes Maß verformt und die daran beteiligten Kräfte werden ertastet. In der Fühleranordnung dieses alternativen Systems wird eine relativ konstante Kraft auf das Bogenmaterial aufgebracht und die resultierende Ablenkung des Bogens ertastet und zum bestimmen der Festigkeit verarbeitet. Beispielsweise könnte der Fühler im wesentlichen dem in Figur 6 gezeigten ohne Komponente 42 gleichen. Die Masse des Rads (an sich oder mit zusätzlicher Masse) könnte eine konstante Kraft vorsehen, die das Bogenmaterial ablenkt. Die resultierende Ablenkung wird vom Fühler 39 gemessen. Andere kraftaufbringende Vorrichtungen, wie Federn oder elektronisch gesteuerte Stellantriebe, könnten genutzt werden. Eine schematische Seitenansicht eines Fühlers nach der gerade erläuterten Ausbildungsform ist in Figur 7 abgebildet. Die Feder 49 bringt zusätzlich zu der von der Masse von Rad 29 bewirkten Kraft noch eine nach unten gerichtete Kraft auf den Bogen auf. Eine relativ konstante Bogenspannung vorausgesetzt, kann die Festigkeit des Bogenmaterials durch eine Gleichung der Form:
S -= AZH + E (8)
wobei A, E und H Konstanten sind und Z die relevante Ablenkung ist, bestimmt werden. Wird ein Ablenkungsfühler eingesetzt, ist es mdglich, einen Fühler mit Ring 26 oder ohne einen solchen Ring einzusetzen. Korrekturen für Variationen in der Spannung und der Maschinensteifigkeit können, wie in Verbindung mit der erläuterten ersten Fühlerausbildungsform besprochen, vorgenommen werden.
Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, sowohl einen Kraftfühler als auch einen Ablenkungsfühler einzusetzen. Die resultierenden Festigkeitsbestimmungen könnten kombiniert werden oder ihr Durchschnitt könnte genommen werden oder die von den Fühlern resultierenden Signale konnten in einer modifizierten Gleichung zur Anwendung kommen.
Was beschrieben wurde, sind Systeme und Methoden zum Bestimmen der Festigkeit eines Materialbogens, wie zum Beispiel Papier, die zerstörungsfrei sind und prozeßgekoppelt verwendet werden können, um zu gewährleisten, daß das hergestellte Papier bzw. andere Bogenmaterial die erforderlichen Festigkeitsspezifikationen erfüllt. Eine derzeit bevorzugte Ausbildungsform der Erfindung weist einen segmentierten Ring mit vier Segmenten und vier Meßdosen auf, dies ist jedoch nicht die einzig mögliche Zahl von Bogenstützbereichen. Es ist möglich, selbst von einer einzigen mit einem der Segmente verbundenen Meßdose sinnvolle Informationen zu erhalten. Wie leicht ersichtlich ist, sind innerhalb der Lehren der obigen Beschreibung viele Kombinationen möglich, weshalb der Rahmen der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche zu beschränken ist.

Claims

1. Fühler zum zerstörungsfreien Bestimmen einer physikalischen Eigenschaft eines in Bewegung befindlichen Materialbogens (11), der folgendes umfaßt:

(a) ein Berührungsmittel (26A, 26B, 26C, 26D, 26') zum Stützen einer Seite des in Bewegung befindlichen Materialbogens (11) gegen eine Ablenkkraft, wobei das genannte Berührungsmittel (26A, 26B, 26C, 26D, 26') um einen ungestützten Bereich herum angeordnet ist, in den der Bogen (11) abgelenkt werden kann;

(b) Ablenkmittel (29) zum Vorsehen einer zerstörungsfreien Ablenkkraft zum Ablenken des Bogens (11) in den ungestützten Bereich;

(c) eine Ablenkungsfühlvorrichtung (39) zum Ertasten der Entfernung, um die der Bogen (11) innerhalb des ungestützten Bereichs abgelenkt wird, und zum Vorsehen eines darauf ansprechenden Signals; und

(d) eine der Fiihlvorrichtung (39) funktionsmäßig zugeordnete Recheneinrichtung (5) zum Errechnen der physikalischen Eigenschaft des genannten Bogens (11) auf der Grundlage von mindestens der Ausgabe der Fühlvorrichtung (39).

2. Fuhler nach Anspruch 1, bei dem das Ablenkmittel (29) ein sich frei drehendes Rad aufweist.

3. Fuhler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Berührungsmittel (26A, 26B, 26C, 26D, 26') einen Ring aufweist, der einen kreisförmigen ungestützten Bereich definiert.

4. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ablenkkraft im wesentlichen konstant ist.

5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Bogenmaterial (11) Papier ist.

6. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die physikalische Eigenschaft die Ausfallfestigkeit ist.

7. Fühler nach Anspruch 6, bei dem die Computereinrichtung die Ausfallfestigkeit auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnet:

S = AZH + E,

wobei A, E und H = Konstanten;

Z = Ablenkung; und

S = Festigkeit sind.