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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Regeln bzw. Steuern
einer Endlospapierbahnherstellung und insbesondere betrifft sie
das Regeln bzw. Steuern des Zuflusses eines Papierstoffs in den Stoffauflauf
einer Papiermaschine, wobei Messungen des Papierstoffs auf dem Sieb
verwendet werden und ein schnelles Kompensationssignal zur Regelung
bzw. Steuerung dieses Zuflusses entwickelt wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bei
der Papierherstellung mit modernen Hochgeschwindigkeitsmaschinen
müssen
Papierbahneigenschaften kontinuierlich überwacht und gesteuert werden,
um eine Papierbahnqualität
sicherzustellen und um die Menge an fertigen Produkten zu minimieren,
die Ausschuß ist,
wenn bei dem Herstellungsprozeß eine
Störung
auftritt. Die am häufigsten
gemessenen Papierbahnvariablen sind die Flächenmasse, der Feuchtigkeitsgehalt
und die Stärke
(d.h. die Dicke) der Papierbahn an verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses. Diese
Prozeßvariablen
werden typischerweise dadurch gesteuert, daß z.B. die Zuführmenge
des Rohstoffs zu Beginn des Prozesses eingestellt wird, daß die Dampfmenge
geregelt wird, die ungefähr
in der Mitte des Prozesses dem Papier zugeführt wird, oder daß am Ende
des Prozesses der Anpreßdruck
zwischen Druckwalzen geändert
wird. Papierbogenherstellungssysteme sind z.B. in den US-Patenten Nr. 5,539,634,
Nr. 5,022,966, Nr. 4,982,334, Nr. 4,786,817 und Nr. 4,767,935 beschrieben.
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Bei
der Herstellung von Papier in Endlospapiermaschinen wird aus einer
wässrigen
Suspension von Fasern (von einem Papierstoff) auf einem sich bewegenden
Sieb oder Gewebe eine Papierbahn hergestellt und durch die Schwerkraft
und durch Vakuumsaugen durch das Gewebe hindurch Wasser entfernt.
Anschließend
wird die Papierbahn zu dem Preßabschnitt
transportiert, wo durch einen Trockenfilz und durch Druck weiteres
Wasser entfernt wird. Als nächstes
gelangt die Papierbahn in den Trockenabschnitt, wo dampfbeheizte Trockner
und Heißluft
den Trocknungsprozeß vervollständigen.
Die Papiermaschine ist im wesentlichen ein Entwässerungssystem, d.h. ein System
zur Entfernung von Wasser. Bei der Papierbahnherstellung bezieht sich
der Ausdruck Maschinenrichtung (MD) auf die Richtung, in die sich
das Papierbahnmaterial während
des Herstellungsprozesses bewegt, während sich der Ausdruck Querrichtung
(CD) auf die Richtung bezieht, die quer zur Breite der Papierbahn
verläuft
und zur Maschinenrichtung senkrecht steht.
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Aus
EP 0 681 183 A2 ist
ein Papierherstellungssystem mit einer Nass- und einer Trockenpartie
bekannt, bei dem sich sowohl in der Nasspartie als auch in der Trockenpartie
Einrichtungen für
Flächenmassenmessungen
beffinden .
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DE 44 23 695 C2 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung einer Papier- oder Kartonbahn mit
Hilfe eine Mehrschicht-Stoffauflaufes einer Papiermaschine, nach welchem
ein Regelkreis auf Signale eines Sensors in der Nasspartie anspricht
und durch Steuerung eines Ventils die Verdünnung des Papierbreis steuert.
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Herkömmliche
Verfahren zum Regeln der Flächenmasse
des hergestellten Papieres beinhalten das Regeln der Strömungsgeschwindigkeit
eines Papierstoffs von dem Zeugkasten durch ein Flächenmassenventil
oder Dickstoffventil in den Stoffauflauf. Das Ventil wird im Ansprechen
auf Messungen des Papiers unmittelbar vor der Rolle betätigt. Die
Fähigkeit
dieses Verfahrens, Störungen
zu beseitigen, ist jedoch aufgrund der langen zeitlichen Verzögerungen
durch die Maschine hindurch von dem Dickstoffventil zu der Rolle
begrenzt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Erkenntnis, daß bedeutende
Verbesserungen bei der Regelung des Papierherstellungsprozesses
dadurch erzielt werden können,
daß ein
Teil der Papierstoffströmung
von dem Zeugkasten zu dem Stoffauflauf durch eine zweite Leitung
hindurch abgetrennt wird, die durch ein zweites Ventil (wie z.B.
ein Vernierventil bzw. Feineinstellungsventil) geregelt wird. Das
zweite Ventil wird im Ansprechen auf Messungen der Flächenmasse
des nassen Papierstoffes auf dem Sieb betätigt. In einer bevorzugten
Ausführungsform
werden die Messungen der Flächenmasse
des nassen Papierstoffs mit einem Wassergewichtssensor unter dem
Sieb (der im folgenden als "UW3-"Sensor
bezeichnet wird) durchgeführt,
welcher auf drei Materialeigenschaften anspricht: die spezifische
elektrische Leitfähigkeit
oder den widerstand, die Dielektrizitätskonstante und die Nähe des Materials
zu dem UW3-Sensor. In Abhängigkeit
von dem zu messenden Material überwiegt
eine oder mehrere dieser Eigenschaften.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Vielzahl von UW3-Sensoren unter
dem Sieb einer Papiermaschine angeordnet, um die spezifische elektrische
Leitfähigkeit
des wässrigen,
nassen Papierstoffes zu messen. In diesem Fall ist die spezifische
elektrische Leitfähigkeit
des nassen Papierstoffes hoch und überwiegt bei Messung des UW3-Sensors. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit
des nassen Papierstoffes ist direkt proportional zu dem Gesamtwassergewicht
in dem nassen Papierstoff. Somit liefert der Sensor Informationen,
die für
die Überwachung
und die Steuerung der Qualität
der erzeugten Papierbahn verwendet werden können.
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Gemäß einem
Aspekt ist die Erfindung auf ein Papierbahnherstellungssystem gerichtet,
das eine Naßpartie
und eine Trockenpartie aufweist, worin die Naßpartie einen Stoffauflauf
aufweist, durch den ein nasser Papierstoff auf ein wasserdurchlässiges,
sich bewegendes Sieb gefördert
wird, wobei das System folgendes aufweist:
eine Quelle von
nassem Papierstoff, von der nasser Papierstoff durch eine erste
Leitung und durch eine zweite Leitung dem Stoffauflauf zugeführt wird;
ein
erstes, regelbares Papierstoffventil, das die Strömung durch
die erste Leitung regelt;
ein zweites, regelbares Papierstoffventil,
das die Strömung
durch die zweite Leitung regelt;
einen ersten Regelkreis, der
eine Einrichtung zum Erzielen von Flächenmassenmessungen in der
Trockenpartie und eine Einrichtung zum Durchführen von groben Einstellungen
an dem ersten, regelbaren Papierstoffventil im Ansprechen auf die
Flächenmassenmessungen
in der Trockenpartie aufweist, wobei der erste Regelkreis eine betreffende
erste Ansprechzeit aufweist; und
einen zweiten Regelkreis,
der eine Einrichtung zum Erzielen von Flächenmassenmessungen in der
Naßpartie und
eine Einrichtung zum Durchführen
von Feineinstellungen an dem zweiten, regelbaren Papierstoffventil
im Ansprechen auf die Flächenmassenmessungen
in der Naßpartie
aufweist, wobei der zweite Regelkreis eine betreffende zweite Ansprechzeit
hat.
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Gemäß einem
anderen Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Regeln eines
Papierbahnherstellungssystems gerichtet, das eine Quelle von nassem
Papierstoff aufweist, die durch eine erste Leitung und durch eine
zweite Leitung mit einem Stoffauflauf verbunden ist, und das eine
Naßpartie
und eine Trockenpartie aufweist, wobei die erste Leitung ein erstes,
regelbares Papierstoffventil aufweist, das die Strömung durch
die erste Leitung regelt, und die zweite Leitung ein zweites, regelbares
Papierstoffventil aufweist, das die Strömung durch die zweite Leitung
regelt, und worin der nasse Papierstoff durch den Stoffauflauf auf
ein wasserdurchlässiges
Sieb gefördert
wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- (a) Realisieren eines ersten Regelkreises mit
einer entsprechenden ersten Ansprechzeit durch Durchführen von
wenigstens der folgenden Schritten:
(i) Erzielen von Flächenmassenmessungen
in der Trockenpartie; und
(ii) Durchführen von groben Einstellungen
an dem ersten, regelbaren Papierstoffventil im Ansprechen auf die
Flächenmassenmessungen
an der Trockenpartie; und
- (b) Realisieren eines zweiten Regelkreises mit einer entsprechenden
zweite Ansprechzeit durch Durchführen
von wenigstens der folgenden Schritte:
(i) Erzielen von Flächenmassenmessungen
in der Naßpartie;
und
(ii) Durchführen
von Feineinstellungen an dem zweiten, regelbaren Papierstoffventil
im Ansprechen auf die Flächenmassenmessungen
an der Naßpartie.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Papierbahnherstellungssystem
gerichtet, das eine Papierbahn aus einem nassen Papierstoff auf
einem sich bewegenden, wasserdurchlässigen Sieb ausformt und eine
Naßpartie
und eine Trockenpartie und eine Quelle von nassem Papierstoff aufweist,
welche durch eine erste Leitung mit einem Stoffauflauf verbunden
ist, wobei das System folgendes aufweist:
eine Einrichtung
zum Messen der Flächenmasse
in der Trockenpartie und zum Erzeugen von ersten Signalen, die die
Flächenmasse
der Trockenpartie anzeigen;
eine Einrichtung zum Umleiten eines
Teils der Strömung
des nassen Papierstoffs von der Quelle des nassen Papierstoffes
durch eine zweite Leitung, die ein zweites Regelventil aufweist,
das die Strömung
durch die zweite Leitung und in den Stoffauflauf regelt;
einen
Sensor, der unterhalb und in der Nähe des Siebes angeordnet ist,
um die Flächenmasse
des nassen Papierstoffes zu messen, und der zweite Signale erzeugt,
die die Flächenmasse
an der Naßpartie
anzeigen, wobei der Sensor stromabwärts von einer Trockenlinie
angeordnet ist, die sich während
des Betriebes des Systems entwickelt;
eine Einrichtung zum
Einstellen der Strömung
durch die erste Leitung im Ansprechen auf die ersten Signale; und
eine
Einrichtung zum Einstellen der Strömung durch die zweite Leitung
im Ansprechen auf die zweiten Signale.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Regeln einer
Herstellung einer Papierbahn aus einem nassen Papierstoff gerichtet,
die auf einem sich bewegenden, wasserdurchlässigen Sieb einer Entwässerungsmaschine
gebildet wird, das eine Naßpartie
und eine Trockenpartie und eine Quelle von nassem Papierstoff, welche
durch eine erste Leitung, die ein erstes Regelventil aufweist, das
eine Strömung
durch die erste Leitung regelt, mit einem Stoffauflauf verbunden
ist, und das eine Einrichtung zum Messen der Flächenmasse in der Trockenpartie
aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- (a) Umleiten von einem Teil der Strömung des
nassen Papierstoffs von der Quelle des nassen Papierstoffs durch
eine zweite Leitung, die ein zweites Regelventil aufweist, das die
Strömung
durch die zweite Leitung regelt;
- (b) Anordnen eines Sensors unterhalb und in der Nähe des Siebes
und stromabwärts
von einer Trockenlinie, die sich während des Betriebes der Maschine
entwickelt;
- (c) Inbetriebnehmen der Maschine und Messen der Flächenmasse
in der Trockenpartie und Erzeugen von ersten Signalen, die die Flächenmasse
an der Trockenpartie anzeigen, und Messen der Flächenmasse mit dem Sensor und
Erzeugen von zweiten Signalen, die die Flächenmasse an der Naßpartie
anzeigen;
- (d) Einstellen der Strömung
durch die erste Leitung im Ansprechen auf die ersten Signale; und
- (e) Einstellen der Strömung
durch die zweite Leitung im Ansprechen auf die zweiten Signale.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
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1A zeigt
ein grundlegendes Blockdiagramm des Wassergewichts-(UW3-)Sensors
unter dem Sieb und 1B zeigt die äquivalente
Schaltung des Sensorblocks.
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2A zeigt
ein Papierbahnherstellungssystem, das das Verfahren der vorliegenden
Erfindung verwendet, und
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2B zeigt
ein verallgemeinertes Blockdiagramm des Regelungssystems.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm des UW3-Sensors einschließlich der
Grundbauteile des Sensors.
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4A zeigt
ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform des UW3-Sensors.
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4B zeigt
eine Schnittansicht einer Zelle, die in dem UW3-Sensor
verwendet wird, und ihre allgemeine, räumliche Position in einem Papierbahnherstellungssystem
gemäß einer
Ausführungsform
des Sensors.
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5A zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Zellenanordnung bzw. Zellengruppe, die in dem UW3-Sensor
verwendet wird.
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5B zeigt
den Aufbau einer einzelnen Zelle in der zweiten Ausführungsform
der in 5A gezeigten Zellengruppe.
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6A zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Zellengruppe, die in dem UW3-Sensor
verwendet wird.
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6B zeigt
den Aufbau einer einzelnen Zelle in der dritten Ausführungsform
der in 6A gezeigten Zellengruppe.
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7 ist
eine graphische Darstellung des Wassergewichtes über der Siebposition von einer
Papiermaschine.
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8 ist
eine graphische Darstellung des Entwässerungsgrades über der
Siebposition.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung verwendet ein System, das einen oder mehrere
Sensoren aufweist, der bzw. die die Flächenmasse eines Papierstoffs
auf dem Gewebe oder Sieb einer Papiermaschine, wie z.B. einer Langsiebmaschine,
mißt bzw.
messen. Diese Sensoren sind vorzugsweise UW3-Sensoren, die eine
sehr schnelle Ansprechzeit (1 msec) haben, so daß ein im wesentlichen unmittelbares
Profil der Flächenmasse
erzielt werden kann. Obwohl die Erfindung als Teil einer Langsiebmaschine
beschrieben wird, ist es ersichtlich, daß die Erfindung bei anderen Papiermaschinen
einschließlich
bei z.B. Maschinen mit zwei Sieben und mehreren Stoffaufläufen und
bei Kartonherstellungsvorrichtungen, wie z.B. Rundsiebmaschinen
oder bei Former von Kobayshi (Kobayshi Formers) verwendet werden
kann. Einige herkömmliche
Bauteile einer Papiermaschine sind in der folgenden Offenbarung
weggelassen worden, um die Beschreibung der Bauteile der folgenden Erfindung
verständlich
zu machen.
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2A zeigt
ein System zur Herstellung eines Endlosblattmaterials, wobei das
System Prozeßabschnitte
hat, die einen Stoffauflauf 1, ein Gewebe oder ein Sieb 7,
eine Trocknungseinrichtung 2, eine Druckwalze 3 und
eine Rolle 4 beinhalten. (Nicht gezeigte) Stellglieder
in dem Stoffauflauf 1 geben durch eine Vielzahl von Auslaufschlitzen 11 nassen
Papierstoff (wie z.B. einen Stoffbrei) auf das Haltesieb 7,
das sich zwischen Rollen 5 und 6 dreht. (Nicht
gezeigte) Foils und Vakuumbehälter
entfernen von dem nassen Papierstoff auf dem Sieb Wasser, das herkömmlich als "Rückwasser" bekannt ist, in eine Siebausnehmung 8 zum
Recycling. Ein Abtastsensor 14 überquert kontinuierlich die
fertige Papierbahn (wie z.B. Papier) und mißt Eigenschaften der fertigen
Papierbahn. Es können
auch mehrere fest angeordnete Sensoren verwendet werden. Abtastsensoren
sind im Stand der Technik bekannt und sind z.B. in den US-Patenten
Nr.5,094,535, Nr.4,879,471, Nr.5,315,124 und Nr.5,432,353 beschrieben.
Die fertige Papierbahn wird anschließend auf der Rolle 4 gesammelt.
So, wie sie hierin verwendet werden, weisen die "Naßpartie" des in 2A dargestellten Systems
den Stoffauflauf, das Gewebe und die Abschnitte unmittelbar vor
der Trocknungseinrichtung und die "Trockenpartie" die Abschnitte, die sich stromabwärts von
der Trocknungseinrichtung befinden, auf.
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Das
System weist zudem eine Einrichtung zum Messen der Flächenmasse
der Papierbahn aus dem nassen Papierstoff auf dem Sieb auf. Eine
bevorzugte Einrichtung ist der UW3-Sensor,
der alleine oder in Kombination verwendet wird. In einer Ausführungsform
ist eine Gruppe von UW3-Sensoren unter dem
Sieb entweder in der CD-Position
oder in der MD-Position angeordnet. Die Flächenmasse an der Naßpartie
kann z.B. mit einer CD-Gruppe 12 von
UW3-Sensoren gemessen werden, die unterhalb
des Siebs 7 angeordnet ist. Damit ist gemeint, daß jeder
Sensor unterhalb eines Abschnittes von dem Sieb, das den nassen
Papierstoff hält,
angeordnet ist. Wie hierin zudem beschrieben ist, ist jeder Sensor
dafür ausgelegt,
daß er
das Wassergewicht des Papierbahnmaterials mißt, während sich dieses über die
Gruppe bewegt. Die Gruppe liefert eine kontinuierliche Messung des
gesamten Papierbahnmaterials entlang der CD-Richtung an dem Punkt,
wo es an der Gruppe vorbeikommt. Es wird ein Profil erstellt, das
sich aus einer Vielzahl von Messungen des Wassergewichtes an verschiedenen
Stellen in der CD zusammensetzt. In einer Ausführungsform wird ein Mittelwert
dieser Messungen erzielt und in die Flächenmasse an der Naßpartie
umgewandelt.
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Als
Alternative ist eine MD-Gruppe, die aus drei UW3-Sensoren 9A, 9B und 9C besteht,
unterhalb des Siebes 7 angeordnet. Es wird ein Profil des
Wassergewichtes erstellt, das sich aus einer Vielzahl von Messungen
des Wassergewichtes an verschiedenen Stellen in der MD zusammensetzt.
Die Gruppe sollte mindestens drei Sensoren haben. Typischerweise
werden vier bis sechs Sensoren hintereinander verwendet und sie
sind ungefähr
1 m von der Kante des Siebes angeordnet. Typischerweise sind die
Sensoren ungefähr
30 bis 60 cm voneinander entfernt angeordnet. Sowohl die CD-Gruppe
von Sensoren als auch die MD-Gruppe von Sensoren ist vorzugsweise
stromaufwärts von
einer Trockenlinie angeordnet, die sich auf dem Sieb an einer Position 10 bildet.
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Der
Ausdruck "Wassergewicht" bezieht sich auf
die Masse oder das Gewicht von Wasser pro Flächenbereich des nassen Papierstoffes,
der sich auf dem Sieb befindet. Typischerweise sind die UW3-Sensoren, wenn sie unterhalb des Siebes
angeordnet sind, so kalibriert, daß sie techni-sche Einheiten
von Gramm pro Quadratmeter (g/m2) liefern.
Als ein Anhaltswert entspricht eine Ablesung von 10000 g/m2 einem Papierstoff mit einer Dicke von 1
cm auf dem Gewebe. Der Ausdruck "Flächenmasse" oder "BW (basis weight)" betrifft das Gesamtgewicht
des Materials pro Flächenbereich.
Der Ausdruck "Trockengewicht" oder "Trockenpapierstoffgewicht
bzw. Gewicht des trockenen Papierstoffs" betrifft das Gewicht eines Materials
(ausschließlich
des Gewichtes aufgrund von Wasser) pro Flächenbereich.
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Typischerweise
wird das Papierherstellungsmahlgut oder -rohmaterial dosiert, verdünnt, mit
notwendigen Zusätzen
vermischt und anschließend
gesiebt und gereinigt, während
es von einer Mischpumpe 50 dem Stoffauflauf 1 zugeführt wird.
Obwohl insbesondere Papierstoff von einem Stoffkasten 54 ziemlich
frei von Verunreinigungen sein sollte, verwenden Zuführsysteme
einer Papiermaschine gewöhnlich
Drucksiebe 51 und Zentrifugalreinigungseinrichtungen 52,
um eine Verunreinigung zu verhindern.
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Die
Mischpumpe 50 dient dazu, um den Papierstoff mit dem Rückwasser
zu vermischen und um die Mischung zu dem Stoffauflauf 1 zu
fördern.
Um sicherzustellen, daß zu
dem Stoffauflauf eine gleichmäßige Dispersion
gefördert
wird, wird der Papierstoff von einem stetigen bzw. konstanten Stoffauflaufbehälter 53,
der herkömmlicherweise
als "Stoffkasten" bezeichnet wird,
durch eine erste Leitung 55A, die durch ein erstes Regelventil 55B (das
auch das Flächenmassenventil
genannt wird) geregelt wird, und durch eine zweite Leitung 56A,
die durch ein zweites Regelventil 56B (wie z.B. das Feineinstellungsventil)
geregelt wird, gefördert.
Typischerweise nimmt die erste Leitung 56A wenigstens ungefähr 70 bis
80 Gew.% des Papierstoffes von dem Stoffkasten auf und es können 90%
oder mehr sein, wobei der Rest durch die zweite Leitung 56A hindurchgeht.
Das erste Regelventil 55B wird durch eine erste Regeleinrichtung 65 geregelt,
die auf BW-Messungen anspricht,
die an der Trockenpartie durchgeführt werden, und das zweite
Regelventil 56B wird durch eine zweite Regeleinrichtung 66 geregeltt,
die auf BW-Messungen an der Naßpartie
anspricht.
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Der
UW3-Sensor erfaßt Eigenschaftsänderungen
des Materials, die über
elektrische Signalmessungen bzw. Messungen eines elektrischen Signals
erfaßt
werden. Die zweite Regeleinrichtung 66 bringt die erfaßten elektrischen
Messungen mit Änderungen
des nassen BW in Wechselbeziehung, die anschließend mit Änderungen des Trockengewichtes
und schließlich
mit einen feinen Stellsignal zum Regeln des zweiten Ventils 56B in
Wechselbeziehung gebracht werden.
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BW-Messungen
an der Trockenpartie können
unter Verwendung des Abtastsensors 14 oder unter Verwendung
eines UW3-Sensors durchgeführt werden.
Wenn der UW3-Sensor verwendet wird, ist er in der
Nähe der
Rolle und unterhalb des Papiers angeordnet. Der UW3-Sensor
würde die
Dielektrizitätskonstante
des Papiers messen. Wenn entweder ein Abtastsensor oder ein UW3-Sensor verwendet wird, werden die erfaßten elektrischen
Signale von dem Sensor mit einer BW-Messung an der Trockenpartie
und anschließend
mit einem groben Stellsignal zum Regeln des ersten Ventils 55B in
Wechselbeziehung gebracht. Es ist ersichtlich, daß die BW
an der Trockenpartie im wesentlichen gleich dem Trockengewicht des
erzeugten Papieres ist.
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Das
Regelungssystem ist in 2B dargestellt. In Bezug auf
den äußeren Regelkreis
wird für
das hergestellte Papier seine Flächenmasse
durch den Trockenpartieprozeß 87 sowie
durch Störgrößen in der
Trockenpartie, die durch D2 dargestellt sind, beeinflußt. Die
Schwankung der Flächenmasse
des Papiers ist daher an einem Summierglied 88 als die
Summe der Schwankungen in dem Trockenprozeß 87A und D2 dargestellt. Der
Trockenpartieprozeß erfährt starke
Verzögerungen
von z.B. 3 bis 4 Minuten. Die Flächenmasse
wird durch den Abtastsensor 89, der in der Nähe der Rolle 70 angeordnet
ist, kontinuierlich gemessen. Der Abtastsensor überträgt Signale 89A, die
die gemessene Flächenmasse
darstellen, zu einem Vergleicher 90, der auch ein Eingangssignal 90A,
das den Flächenmassensollwert
zuführt,
empfängt.
Eine Differenz zwischen den hereinkommenden, übertragenen Signalen erscheint
als ein Fehlersignal 90B von dem Vergleicher an einem ersten Flächenmassenregler
bzw. Primärflächenmassenregler 91,
wie z.B. einem Dahlin-Regler,
der an einen Regler 92 ein Ventilstellsignal 91A überträgt, welcher
mittels z.B. einer Übertragungsfunktion
(k) das Eingangssignal 91A in die vorhergesagte Flächenmasse
auf dem Sieb umwandelt, dessen Informationen 92A anschließend zu
einem Vergleicher 85 übertragen
werden.
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In
Bezug auf den inneren Regelkreis wird das Wassergewicht des Papierstoffes
durch den Naßpartieprozeß 82 sowie
durch Störgrößen an der
Naßpartie
beeinflußt,
die durch D1 dargestellt sind. Der Naßpartieprozeß erfährt nur
geringe, kurzzeitige Verzögerungen
von z.B. 15 bis 30 Sekunden. Die Schwankung des Wassergewichtes
des Papiers ist daher an einem Summierglied 83 als die
Summe der Schwankungen während
des Naßpartieprozesses 82A und
D1 dargestellt. Das Wassergewicht des Papierstoffes auf dem Sieb wird
mit Sensoren 84 kontinuierlich gemessen und die Messungen
daraus werden dafür
verwendet, um die erwartete Flächenmasse
auf dem Sieb zu berechnen, die durch ein Signal 84A dargestellt
ist, welches zu dem Vergleicher 85 übertragen wird.
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Unterschiede
zwischen der vorhergesagten Flächenmasse
bei dem Siebsignal 92A und dem Signal 84A der
erwarteten Flächenmasse
erscheinen an dem zweiten Flächenmassenregler
bzw. Sekundärflächenmassenregler 80,
wie z.B. dem Proportional-Integral-Differential-Regler oder Dahlin-Regler,
als Fehlersignale. Der Sekundärflächenmassenregler überträgt ein Signal 80A,
das ein Umleitventil 81 derartig aktiviert, daß die Strömung des
Papierstoffes in den Stoffauflauf von dem Stoffkasten erhöht oder
verringert wird. Der Regler 80 wandelt das Fehlersignal
der Flächenmasse
von dem Vergleicher 85 in Ventilbewegungssignale um.
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Es
ist ersichtlich, daß Störgrößen in dem
schnellen, inneren Regelkreis durch den Regler des schnellen inneren
Regelkreises auf der Grundlage der Messungen des Wassergewichts
auf dem Sieb korrigiert werden, bevor die Störgrößen das Dickstoffventil 86 des
langsameren, äußeren Regelkreises
beeinflussen können.
Das Papierstoffventil 86 empfängt Signale von einem Regler 98,
der eine Übertragungsfunktion
(1/k) durchführt,
welche Signale von dem Summierglied 83, die die vorhergesagte
Flächenmasse
darstellen, in Ventilbewegungssignale 98A umwandelt.
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Zudem
wird das Regelkreisansprechverhalten des äußeren Regelkreises durch die
Dynamik des inneren Regelkreises beeinflußt. Je schneller das Feineinstellungsventil 81 ansprechen
kann und je schneller eine Wassergewichtsmessung erzielt wird, desto
weniger ist es notwendig, daß der äußere Regelkreis
auf das Dickstoffventil 86 Einfluß nimmt, um Änderungen
zu korrigieren, wie sie durch die Messungen des Abtastsensors 89 angezeigt
werden.
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Wenn
die Dynamik des inneren Regelkreises schneller ist, ist zudem die
Phasenverzögerung
des inneren Regelkreises geringer als die des äußeren Regelkreises. Folglich
ist die Übergangsfrequenz
des inneren Regelkreises höher
als die des äußeren Regelkreises.
Dies bedeutet, daß die
höheren
Verstärkungsfaktoren
des inneren Reglers verwendet werden können, um den Einfluß einer
Störgröße, die
in dem inneren Regelkreis, d.h. der Naßpartie, auftritt, ohne Gefährdung der
Stabilität
des Flächenmassenreglers
effektiver zu regeln. So verwendet das erfindungsgemäße Verfahren
eher einen schnellen inneren Regler bzw. Regelkreis, der Störgrößen an der
Naßpartie
beseitigt, und einen langsameren äußeren Regler bzw. Regelkreis,
der sicherstellt, daß der
Betrieb in einem bestimmten Bereich abläuft, als daß es einen einzigen Regler
zum Sicherstellen der Stabilität
hat.
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Wenn
zum schnellen Regeln des ersten Regelventils 55B (wie z.B.
dem Feineinstellungsventil) die MD-Gruppe von UW3-Sensoren
verwendet wird, wird bevorzugt, daß zwischen den Wassergewichtsmessungen
der UW3-Sensoren von einem Teil des sich
bewegenden nassen Papierstoffes auf dem Sieb und dem vorhergesagten
Feuchtigkeitsgehalt des Teils, nachdem dieses im wesentlichen entwässert worden
ist, d.h. seiner Flächenmasse
an der Trockenpartie, Funktionsbeziehungen gebildet werden. Das Bildungsverfahren
wird hier und in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/789,086,
die am 27. Januar 1997 eingereicht worden ist, beschrieben.
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Die
Funktionsbeziehungen gestatten es, daß Wassergewichtsmessungen von
einem Teil auf dem Sieb, die durch die UW3-Sensoren
erzeugt werden, dafür
verwendet werden, um vorherzusagen, was die Trockenflächenmasse
oder das Trockenpapierstoffgewicht sein würde, wenn der Teil die Trockenpartie
erreicht. Auf diese Art und weise können die Messungen der UW3-Sensoren in Trockenflächenmassen umgewandelt werden,
die mit dem Sollwert verglichen werden, um den Fehler zu erhalten,
wenn es einen gibt.
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Vorhersagen einer Flächenmasse
an einer Trockenpartie aus Messungen von UW3-Sensoren
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Vorhersagen der Flächenmasse oder des Papierstoffgewichtes
des erzeugten Papiers an der Trockenpartie beinhaltet simultane
Messungen von (1) dem Wassergehalt des Papierstoffes auf dem Gewebe
oder Sieb der Papiermaschine an drei oder mehr Stellen entlang der
Maschinenrichtung des Gewebes und (2) dem Trockenpapierstoffgewicht
des Papierprodukts, das dem Papierstoff auf dem Gewebe vorangeht.
Auf diese Art und Weise kann in diesem Augenblick das erwartete
Trockenpapierstoffgewicht des Papieres, das durch den Papierstoff
auf dem Gewebe gebildet wird, bestimmt werden.
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Insbesondere
weist das Verfahren zum Vorhersagen des Trockenpapierstoffgewichtes
eines Papierbahnmaterials, das sich auf einem wasserdurchlässigen Sieb
des oben beschriebenen Systems bewegt, die folgenden Schritte auf:
- a) Anordnen von drei oder mehr Wassergewichtssensoren
in der Nähe
des Siebes, worin die Sensoren in der MD an verschiedenen Stellen
angeordnet sind, und Anordnen eines Sensors, um den Feuchtigkeitsgehalt
des Papierbahnmaterials zu messen, nachdem es im wesentlichen entwässert worden
ist (dies würde der
Abtastsensor sein);
- b) Inbetriebnehmen des Systems bei vorher bestimmten Betriebsparametern
und Messen des Wassergewichts des Papierbahnmaterials an den drei
oder mehr Stellen auf dem Sieb mit den Wassergewichtssensoren und
gleichzeitiges Messen der Trockenflächenmasse von einem Bereich
bzw. Teil des Papierbahnmaterials, das im wesentlichen entwässert worden
ist;
- c) Durchführen
von Abweichungsprüfungen
(bump tests), um Änderungen
des Wassergewichtes im Ansprechen auf Störungen bei drei oder mehr Betriebsparametern
zu messen, worin jede Abweichungsprüfung dadurch durchgeführt wird,
daß abwechselnd
einer der Betriebsparameter geändert
wird, während
die anderen konstant gehalten werden, und Berechnen der Änderungen
der Messungen von den drei oder mehr Wassergewichtssensoren; die
Anzahl der Abweichungsprüfungen
entspricht der Anzahl der verwendeten Wassergewichtssensoren;
- d) Verwenden der berechneten Messungsänderungen aus Schritt c), um
ein linearisiertes Modell zu erhalten, das Änderungen bei den drei oder
mehr Wassergewichtssensoren als eine Funktion von Änderungen der
drei oder mehr Betriebsparameter gegenüber den vorherbestimmten Betriebsparametern
beschreibt, worin diese Funktion als eine N×N Matrix ausgedrückt wird, worin
N gleich der Anzahl der verwendeten Wassergewichtssensoren ist;
und
- e) Entwickeln von Funktionsbeziehungen zwischen den Wassergewichtsmessungen
der drei oder mehr Wassergewichtssensoren für einen Teil des sich bewegenden
Papierbahnmaterials auf dem Gewebe und dem vorhergesagten Feuchtigkeitsgehalt
für den
Teil, nachdem er im wesentlichen entwässert worden ist.
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Bei
den Abweichungsprüfungen
werden vorzugsweise die Strömungsgeschwindigkeit
des wässrigen Faserstoffes
auf dem Gewebe, der Entwässerungsgrad
des Faserstoffes und die Faserkonzentration in dem wässrigen
Faserstoff geändert.
Durch kontinuierliches Überwachen
der Wassergewichtshöhe
des Papierstoffs auf dem Gewebe ist es möglich, daß die Qualität (d.h.,
das Trockenpapierstoffgewicht) des Produktes vorhergesagt werden
kann.
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Das
Wasserentwässerungsprofil
auf einem Langsieb ist eine komplizierte Funktion, die im Prinzip
von der Anordnung und der Leistungsfähigkeit der Entwässerungsbauteile,
den Eigenschaften des Siebes, der Spannung auf dem Sieb, den Papierstoffeigenschaften
(z.B. dem Entwässerungsgrad,
dem pH-Wert und den Zusätzen),
der Papierstoffdicke, der Papierstofftemperatur, der Papierstoffzusammensetzung
und der Siebgeschwindigkeit abhängt.
Es hat sich gezeigt, daß individuell
verwendbare Entwässerungsprofile
dadurch erzeugt werden können,
daß die
folgenden Prozeßparameter
geändert
werden: 1) die gesamte Wasserströmung,
die unter anderem von einem Zuführsystem
des Stoffauflaufs, einem Stoffauflaufdruck und einer Öffnung und
einer Neigungsposition des Auslaßschlitzes abhängt; 2)
der Entwässerungsgrad,
der unter anderem von den Papierstoffeigenschaften und einer Raffineurleistung
abhängt;
und 3) die Trockenpapierstoffströmung und
die Stoffauflaufkonsistenz.
-
Wassergewichtssensoren,
die entlang des Papierherstellungsgewebes an strategischen Stellen
angeordnet sind, können
verwendet werden, um den Entwässerungsprozeß im Profil
darzustellen (was im folgenden als "Entwässerungsprofil" bezeichnet wird).
Durch Ändern
der oben erwähnten
Prozeßsparameter
und durch Messen von Änderungen
des Entwässerungsprofils
kann anschließend
ein Modell erzeugt werden, das die Dynamik des Papierprozesses an
der Naßpartie
simuliert. Im umgekehrten Fall kann das Modell dafür verwendet
werden, um zu bestimmen, wie die Prozeßparameter verändert werden
sollen, damit eine bestimmte Änderung
des Entwässerungsprofils
beibehalten oder erzeugt wird. Zudem kann von den Entwässerungsprofilen
des Wassergewichtes das Trockenpapierstoffgewicht der Faser auf
dem Sieb vorhergesagt werden.
-
Es
sind drei Wassergewichtssensoren 9A, 9B und 9C dargestellt,
um das Wassergewicht des Papierstoffes auf dem Sieb zu messen. Die
Positionen entlang des Gewebes, an denen die drei Sensoren angeordnet
sind, sind durch "h", "m" bzw. "d" gekennzeichnet.
Es können
mehr als drei Wassergewichtssensoren verwendet werden. Es ist nicht
notwendig, daß die
Sensoren nacheinander ausgerichtet sind. Die einzige Vorgabe besteht
darin, daß sie
an verschiedenen Positionen der Maschine angeordnet sind. Typischerweise
werden Ablesungen von dem Wassergewichtssensor an der Stelle "h", die dem Stoffauflauf am nächsten liegt,
durch Änderungen
des Papierstoffentwässerungsgrades
mehr beeinflußt
als durch Änderungen
des Trockenpapierstoffs, weil Änderungen
des letzteren unbedeutend sind, wenn sie mit dem hohen Gewicht des
Siebwassers verglichen werden. An der mittleren Stelle "m" wird der Wassergewichtssensor gewöhnlich eher
durch Änderungen
der Siebwassermenge als durch Änderungen
der Menge an Trockenpapierstoff beeinflußt. Es wird bevorzugt, daß die Stelle "m" derartig ausgewählt wird, daß sie sowohl
auf Änderungen
des Papierstoffgewichts als auch auf Änderungen des Siebwassers anspricht.
Schließlich
wird die Stelle "d", die dem Trocknungsabschnitt
am nächsten
liegt, derartig ausgewählt,
daß der
Wassergewichtssensor auf Änderungen
des Trockenpapierstoffes reagiert, weil an diesem Punkt des Entwässerungsprozesses
die Wassermenge, die an der Faser haftet oder mit dieser verbunden
ist, zu dem Fasergewicht proportional ist. Dieser Wassergewichtssensor spricht
auch auf Änderungen
des Entwässerungsgrades
des Siebs an, wenn auch nur zu einem geringeren Grad. An der Position "d" ist vorzugsweise eine ausreichende
Menge an Wasser entfernt worden, so daß der Papierstoff eine effektive
Zusammensetzung hat, wobei im wesentlichen kein weiterer Faserverlust
durch das Gewebe auftritt.
-
Beim
Messen von Papierstoff ist die spezifische elektrische Leitfähigkeit
der Mischung hoch und überwiegt
bei der Messung des Sensors. Die spezifischen elektrische Leitfähigkeit
des Papierstoffes ist zu dem Gesamtwassergewicht darin direkt proportional.
Folglich werden Informationen erzeugt, die zur Überwachung und Steuerung der
Qualität
der durch das Papierherstellungssystem erzeugten Papierbahn verwendet
werden können.
Um diesen Sensor dafür
zu verwenden, das Gewicht der Faser in einer Papierstoffmischung
durch Messen ihrer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit
zu bestimmen, befindet sich der Papierstoff in einem solchen Zustand,
in dem alles oder fast alles Wasser von der Faser gehalten wird.
In diesem Zustand bezieht sich das Wassergewicht des Papierstoffes
direkt auf das Fasergewicht und die spezifische elektrische Leitfähigkeit des
Fasergewichtes kann gemessen und zur Bestimmung des Gewichtes der
Faser in dem Papierstoff verwendet werden.
-
Um
dieses Verfahren durchzuführen,
werden drei Wassergewichtssensoren verwendet, um die Abhängigkeit
des Entwässerungsprofils
des Wassers des Papierstoffs durch das Sieb hindurch von den drei
folgenden Maschinenbetriebsparametern zu messen: (1) der gesamten
Wasserströmung,
(2) dem Entwässerungsgrad
des Papierstoffes und (3) der Trockenpapierstoffströmung oder
die Stoffauflaufkonsistenz. Andere verwendbare Parameter schließen z.B.
(die Maschinengeschwindigkeit und die Vakuumhöhe bzw. Saughöhe zum Entfernen
von Wasser ein). Bei drei Prozeßparametern
ist das Minimum an Wassergewichtssensoren drei. Für eine detailliertere
Profildarstellung können
mehr verwendet werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
zur Herstellung eines Modells wird eine Grundzusammensetzung der
Prozeßparameter
und ein resultierendes Entwässerungsprofil
verwendet und anschließend
wird die Wirkung auf das Entwässerungsprofil
im Ansprechen auf eine Störung
eines Betriebsparameters der Langsiebmaschine gemessen. Dies linearisiert
das System im wesentlichen gegenüber
der Grundzusammensetzung. Die Störungen
oder Abweichungen werden dazu verwendet, daß erste Ableitungen der Abhängigkeit des
Entwässerungsprofiles
von den Prozeßparametern
gemessen werden.
-
Wenn
ein Paar von Entwässerungskennlinien
entwickelt worden ist, können
die Kennlinien, die als 3×3 Matrix
dargestellt sind, unter anderem dafür verwendet werden, um den
Wassergehalt in Papier vorherzusagen, das durch Überwachen des Wassergewichtes
entlang des Siebes durch die Wassergewichtssensoren hergestellt
wird. Diese Informationen werden zur Regelung des Feineinstellungsventils
verwendet.
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Abweicherungsprüfungen (bump
tests)
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Der
Ausdruck "Abweichungsprüfung (bump
test)" bezieht sich
auf ein Verfahren, wobei ein Betriebsparameter der Papiermaschine
geändert
wird und daraus resultierende Änderungen
bestimmter, abhängiger
Variablen gemessen werden. Vor dem Start einer Abweichungsprüfung wird
die Papiermaschine als erstes bei vorherbestimmten Basisbedingungen
betätigt.
Mit "Basisbedingungen" sind die Betriebsbedingungen
gemeint, bei welchen die Maschine Papier erzeugt. Typischerweise
entsprechen die Basisbedingungen Standardparametern oder optimierten
Parametern zur Papierherstellung. Angesichts der Kosten, die mit
dem Betrieb der Maschine zusammenhängen, sind extreme Bedingungen
zu vermeiden, durch die defektes, nicht verwendbares Papier erzeugt
wird. Auch sollte dann, wenn ein Betriebsparameter in dem System
für die
Abweichungsprüfung
geändert
wird, die Änderung
nicht so drastisch sein, daß die
Maschine beschädigt
oder defektes Papier erzeugt wird. Nachdem die Maschine gleichmäßige oder
stabile Abläufe
erreicht hat, wird das Wassergewicht an jedem der drei Sensoren
gemessen und aufgezeichnet. Es wird eine ausreichende Anzahl von
Messungen über
einen bestimmten Zeitraum gemacht, um repräsentative Daten zu erzielen.
Diese Gruppe von Daten, die gleichmäßige Abläufe betreffen, wird mit Daten
verglichen, die auf jede Prüfung
folgen. Anschließend wird
eine Abweichungsprüfung
durchgeführt.
Die folgenden Daten wurden mit einer Papiermaschine "Beloit Concept 3" erzeugt, die von
der Beloit Corporation, Beloit, Wisconsin, hergestellt wurde. Die
Berechnungen wurden unter Verwendung eines Mikroprozessors durchgeführt, der
eine Software Labview 4.0.1 von National Instrument (Austin TX)
verwendete.
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(1) Prüfung einer Trockenpapierstoffströmung
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Um
die Papierstoffzusammensetzung zu ändern, wird die Grundmenge
der Trockenpapierstroffströmung,
die zu dem Stoffauflauf gefördert
wird, geändert.
Wenn die gleichmäßigen Bedingungen
erreicht sind, wird das Wassergewicht durch die drei Sensoren gemessen
und aufgezeichnet. Es wird eine ausreichende Anzahl von Messungen über einen
bestimmten Zeirtaum durchgeführt,
um repräsentative
Daten zu erzeugen. 7 ist eine graphische Darstellung
eines Wassergewichtes über
einer Siebposition, das während
der Basisabläufe
und während
einer Abweichungsprüfung
der Trockenpapierstoffströmung
gemessen wurde, worin eine Basisströmung des Trockenpapierstoff
von 1629 Gal/min um 100 Gal/min erhöht wurde. Eine Kurve A verbindet
die drei Wassergewichtsmessungen während der Basisabläufe und
eine Kurve B verbindet die Messungen während der Abweichungsprüfung. Wie
zu sehen ist, bewirkt eine Erhöhung
der Trockenpapierstoffströmung
ein Ansteigen des Wassergewichts. Der Grund dafür ist der, daß durch
den Papierstoff mehr Wasser zurückgehalten
wird, weil der Papierstoff einen höheren Prozentanteil an Zellstoff
enthält.
Der prozentuale Unterschied des Wassergewichtes an den Positionen
h, m und d (die den Sensoren 9A, 9B bzw. 9C in 2 entsprechen) entlang des Siebes beträgt +5,533,
+6,522 bzw. +6,818.
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Für die Prüfung einer
Trockenpapierstoffströmung
werden die Regelungen der Papiermaschine für die Flächenmasse und die Feuchtigkeit
abgeschalten und alle anderen Betriebsparameter so konstant wie
möglich gehalten.
Als nächstes
wird die Papierstoffströmung
für einen
ausreichend langen Zeitraum, wie z.B. ungefähr 10 Minuten, um 100 Gal/min
erhöht.
Während
dieses Zeitraums werden Messungen der drei Sensoren aufgezeichnet.
Die davon erhaltenen Daten sind in 7 gezeigt.
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(2) Prüfung eines Entwässerungsgrades
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Wie
vorher beschrieben worden ist, besteht ein Verfahren zum Ändern des
Entwässerungsgrades
von Papierstoff darin, daß die
Raffineurleistung geändert
wird, die schließlich
den Mahlgrad beeinflußt,
dem die Papiermasse unterzogen wird. Während der Prüfung eines
Entwässerungsgrades
werden die Wassergewichte an den drei Sensoren dann gemessen und
aufgezeichnet, wenn die gleichbleibenden Bedingungen erreicht sind.
Bei einer Prüfung
wurde die Raffineurleistung von ungefähr 600KW auf ungefähr 650KW
erhöht. 8 ist
eine graphische Darstellung des Wassergewichtes über dem Entwässerungsgrad,
das während
des Basisbetriebes (600 KW) (Kurve A) und während der gleichbleibenden
Abläufe,
nachdem weitere 50KW hinzugefügt wurden
(Kurve B), gemessen wurde. Wie zu erwarten war, verringerte sich
der Entwässerungsgrad,
was zu einem Ansteigen des Wassergewichtes wie bei der Prüfung einer
Trockenpapierströmung
führte.
Ein Vergleich der Daten zeigte, daß der prozentuale Unterschied
des Wassergewichtes an den Positionen h, m und d +4,523, +4,658%
bzw. +6,281 beträgt.
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(3) Prüfung einer Gesamtpapierstoffströmungsgeschwindigkeit
(Prüfung
eines Ausflußschlitzes)
-
Ein
Verfahren zum Regulieren der Gesamtpapierstoffströmungsgeschwindigkeit
von dem Stoffauflauf besteht darin, daß die Öffnung des Ausflußschlitzes
eingestellt wird. Während
dieser Prüfung
werden die Wassergewichte an jedem der drei Sensoren gemessen und
aufgezeichnet, wenn die gleichbleibenden Bedingungen erreicht sind.
Bei einer Prüfung
wurde der Ausflußschlitz
von ungefähr
1,60 Inch (4,06 cm) auf ungefähr 1,66
Inch (4,2 cm) vergrößert, wobei
sich dadurch die Strömungsgeschwindigkeit
erhöhte.
Wie zu erwarten war, erhöhte
die höhere
Strömungsgeschwindigkeit
das Wassergewicht. Ein Vergleich der Daten zeigte, daß der prozentuale
Unterschied des Wassergewichtes an den Positionen h, m und d +9,395%,
+5,5% bzw. +3,333 beträgt.
(Die Messung an der Position m von 5,5 % ist eine Schätzung, weil
der Sensor an dieser Stelle nicht in Betrieb war, als die Prüfung durchgeführt wurde.)
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Die Entwässerungskennlinien
(DCC; Drainage Characteristic Curves)
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Aus
den vorher beschriebenen Abweichungsprüfungen kann eine Gruppe von
Entwässerungskennlinien
(DCC) abgeleitet werden. Die Auswirkung von Änderungen der drei Prozeßparameter
auf Werte der drei Wassergewichtssensoren liefert neun partielle
Ableitungen, die eine 3×3
DCC-Matrix bilden.
Im allgemeinen wird eine n×m
Matrix erzielt, wenn eine Anzahl n von Wassergewichtssensoren, die
an dem Sieb angeordnet sind, und m Abweichungsprüfungen verwendet werden.
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Die
3×3 DCC-Matrix
ergibt sich insbesondere wie folgt:
worin sich T, F, S auf Ergebnisse
aus Abweichungen der gesamten Wasserströmung, des Entwässerungsgrades
bzw. der Trockenpapierstoffströmungsgeschindigkeit
beziehen und h, m und d die Positionen der Sensoren kennzeichnen,
die entlang des Siebes oder des Gewebes angeordnet waren.
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Die
Komponenten der Matrixzeile [DCThe DCTm DCTd] sind als der Prozentsatz
der Wassergewichtsänderung
bei dem gesamten Wassergewicht an den Stellen h, m und d auf der
Grundlage der Abweichungsprüfungen
einer Gesamtströmungsgeschwindigkeit
definiert. Genauer gesagt ist z.B. "DCThe" als die Differenz der prozentualen
Wassergewichtsänderung
an der Position h zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor oder unmittelbar
nach der Abweichungsprüfung
einer Gesamtströmungsgeschwindigkeit
definiert. DCTm und DCTd kennzeichnen die Werte für die Sensoren,
die an den Positionen m bzw. d angeordnet sind. Gleichzeitig werden
die Komponenten der Matrixzeilen [DCFh DCFm DCFd] und [DCSh DCSm
DCSd] aus den Abweichungsprüfungen
des Entwässerungsgrades
bzw. des Trockenpapierstoffes abgeleitet.
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Die
Komponenten DCThe, DCFm und DCSd der DDC-Matrix werden als Pivotkoeffizienten
bezeichnet und z.B. durch das Gaußsche Eliminationsverfahren
dazu verwendet, die Änderung
des Naßpartieprozesses zu
kennzeichnen, wie es hier weiter beschrieben wird. wenn ein Pivotkoeffizient
zu klein ist, nimmt die Ungenauigkeit der Koeffizienten während des
Gaußschen
Eliminationsverfahrens zu. Daher sollten sich vorzugsweise diese
drei Pivotkoeffizienten in dem Bereich von ungefähr 0,03 bis 0,10 befinden,
was einer Änderung des
Wassergewichtes während
jeder Abweichungsprüfung
von ungefähr
3 bis 10% entspricht.
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Entwasserungsprofilsänderung
-
Auf
der Grundlage der DCC-Matrix kann die Entwässerungsprofilsänderung
als eine lineare Kombination von Änderungen der verschiedenen
Prozeßparameter
dargestellt werden. Unter Verwendung der DCC-Matrix kann insbesondere
die prozentuale Änderung
des Entwässerungsprofiles
an jeder Stelle als eine lineare Kombination aus den einzelnen Änderungen
der folgenden Prozeßparameter
berechnet werden: der gesamten Wasserströmung, dem Entwässerungsgrad
und der Trockenpapierstoffströmung.
Somit ergibt sich folgendes: ΔDP% (h, t) = DCTh·w + DCFh·f + DCSh·s , ΔDP%(m,t)
= DCTm·w
+ DCFm·f
+ DCSm·s, ΔDP%(d,t)
= DCTd·w
+ DCFd·f
+ DCSd·s,worin
(w, f, s) als Änderungen
der gesamten Wasserströmung,
des Entwässerungsgrades
bzw. der Trockenpapierstoffströmung
bezeichnet werden und die DCs Komponenten der DCC-Matrix sind.
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Durch
Invertieren dieses Systems von linearen Gleichungen können die
Werte für
(w, f, s) gelöst
werden, die notwendig sind, um eine bestimmte Änderung des Entwässerungsprofiles
zu erzeugen (ΔDP%(h), ΔDP%(m), Δ DP%(d)).
Der Buchstabe A stellt die inverse Matrix der DCC-Matrix dar.
oder
w = A11·Δ DP%(h) +
A12·Δ DP%(m) +
A13·Δ DP%(d) f = A21·Δ DP%(h) +
A22Δ DP%(m)
+ A23·Δ DP%(d) s = A31·Δ DP% (h)
+ A32·Δ DP% (m)
+ A33·Δ DP%(d) -
Die
obige Gleichung zeigt explizit, wie ein Invertieren der DCC-Matrix
eine Berechnung von (w, f, s) gestattet, was notwendig ist, um eine
gewünschte Änderung
des Entwässerungsprofils
(ΔDP%(h), ΔDP%(m), ΔDP%(d)) zu
bewirken.
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Aus
Erfahrung ergibt sich, daß die
Wahl der drei Betriebsparameter, der Stelle der Sensoren und der Höhe der Abweichungen
eine Matrix mit sehr günstigen
Pivotkoeffizienten erzeugt und die Matrix somit ohne übermäßige Störungen invertiert
werden kann.
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Durch
kontinuierliches Vergleichen der Trockengewichtsmessung der Abtasteinrichtung 14 in 2 mit den Wassergewichtsprofilen, die
bei Sensoren an h, m und d gemessen worden sind, kann eine dynamische
Schätzung
des endgültigen
Trockenpapierstoffgewichtes für
den Papierstoff, der sich an der Position der Abtasteinrichtung 14 befindet,
gemacht werden.
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Vorhersage eines Trockenpapierstoffs
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An
der Stelle d, die dem Trocknungsabschnitt am nächsten liegt, ist der Zustand
des Papierstoffes so, daß im
wesentlichen das gesamte Wasser von der Faser gehalten wird. In
diesem Zustand ist die Wassermenge, die an der Faser haftet oder
mit dieser verbunden ist, zu dem Fasergewicht proportional. Somit
reagiert der Sensor an der Stelle d auf Änderungen des Trockenpapierstoffs
und kann insbesondere dafür
verwendet werden, um das Gewicht des endgültigen Papierstoffes vorherzusagen.
Auf der Grundlage dieses Proportionalitätsverhältnisses gilt folgendes: DW(d)=U(d)·C(d),
worin DW(d) das vorhergesagte Gewicht des Trockenpapierstoffes an
der Stelle d, U(d) das gemessene Wassergewicht an der Stelle d und
C(d) eine Proportionalitätsvariable,
die DW bis U betrifft und als Stoffdichte bzw. Konsistenz bezeichnet
wird, sind. Zudem wird C(d) aus bekannten Daten des Wassergewichtes
und des Trockengewichtes berechnet, die durch den Abtastsensor beim
Aufrollen gemessen wurden.
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Nach
der Position d (9C) in der Papiermaschine (siehe 2A)
wird die Papierbahn des Papierstoffes getrocknet und der Abtastsensor 14 mißt das endgültige Gewicht
des Trockenpapierstoffs. Da hier nach der Stelle d im wesentlichen
keinen Faserverlust mehr auftritt, kann angenommen werden, daß DW(d)
gleich dem endgültigen
Gewicht des Trockenpapierstoffs ist und somit kann die Stoffdichte
C(d) dynamisch berechnet werden.
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Nachdem
diese Verhältnisse
erzielt worden sind, kann anschließend die Wirkung von Änderungen
der Prozeßparameter
auf das endgültige
Gewicht des Trockenpapierstoffs vorhergesagt werden. Wie bereits
im voraus erzielt worden ist, sagt die DCC-Matrix die Wirkung der
Prozeßänderungen
auf das Entwässerungsprofil
voraus. Insbesondere was die Änderungen
der gesamten Wasserströmung
w, des Entwässerungsgrades
f und der Trockenpapierstoffströmung
s betrifft, ergibt sich die Änderung
U(d) wie folgt: ΔU(d)/U(d) = DCTdworin Ref(cd)
ein dynamischer berechneter Wert ist, der auf Ablesungen des gegenwärtigen Trockengewichtssensors
und eines herkömmlichen
Wassergewichtssensors basiert, worin die α's so definiert sind, daß sie Verstärkungskoeffizienten
sind, welche während
der vorher beschriebenen drei Abweichungsprüfungen erzielt wurden. Schließlich ergibt
sich das gestörte
Gewicht des Trockenpapierstoffs an der Stelle d wie folgt: Dw(d) = U(d)·{l + [αTDCTd·w
+ αFDCFd·f + dsDCsd·s]}·Ref(c)
-
Die
letzte Gleichung beschreibt somit die Wirkung auf das Trockenpapierstoffgewicht
aufgrund einer bestimmten Änderung
der Prozeßparameter.
Im Gegensatz dazu kann man unter Verwendung der inversen Matrix
der DCC-Matrix darauf schließen,
wie die Prozeßparameter
zu ändern
sind, um eine gewünschte Änderung
des Trockengewichtes (s), des Entwässerungsgrades (f) und der
gesamten Wasserströmung
(w) zur Produktoptimierung zu erzeugen.
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Wassergewichts-(UW3-)Sensor unter dem Sieb
-
Der
Sensor kann allgemein als ein Blockdiagramm, wie es in 1A gezeigt
ist, dargestellt sein, das ein fest angeordnetes Impedanzbauteil
(Zfest) aufweist, welches zwischen einem Eingangssignal (Vein) und dem
Boden mit einem verstellbaren Impedanzblock (Zsensor) in Reihe gekoppelt
ist. Das fest angeordnete Impedanzbauteil kann ein Widerstand, ein
Induktor, ein Kondensator oder eine Kombination dieser Bauteile
sein. Das fest angeordnete Impedanzbauteil und die Impedanz Zsensor
bilden ein Spannungsteilernetzwerk, so daß Änderungen des Impedanzblocks
Zsensor Änderungen
der Spannung an Vaus bewirken. Der in 1A gezeigte
Impedanzblock Zsensor steht für
zwei Elektroden und das zwischen den Elektroden vorhandene Material.
Der Impedanzblock Zsensor kann auch durch die äquivalente Schaltung dargestellt
sein, die in 1B gezeigt ist, worin Rm der
Widerstand des Materials zwischen den Elektroden und Cm die Kapazität des Materials
zwischen den Elektroden sind. Der Sensor ist zudem in der US Patentanmeldung
mit der Nr. 08/766,864 beschrieben, die am 13. Dezember 1996 eingereicht
worden ist.
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Wie
es oben beschrieben worden ist, können BW-Messungen an der Naßpartie mit einem oder mehreren
UW3-Sensoren
erzielt werden. Wenn mehr als ein UW3-Sensor
verwendet wird, sind darüber
hinaus die Sensoren in einer Gruppe bzw. Reihe angeordnet.
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Der
Sensor reagiert auf die zu erfassenden, folgenden drei physikalischen
Eigenschaften des Materials: die spezifische elektrische Leitfähigkeit
oder den Widerstand, die Dielektrizitätskonstante und die Nähe des Materials
zu dem Sensor. In Abhängigkeit
von dem Material überwiegt
eine oder mehrere dieser Eigenschaften. Die Materialkapazität hängt von
der Geometrie der Elektroden, der Dielektrizitätskonstanten des Materials
und dessen Nähe
zu dem Sensor ab. Für
ein reines, dielektrisches Material ist der Widerstand des Materials
zwischen den Elektroden unendlich (d.h. Rm=∞) und der Sensor mißt die Dielektrizitätskonstante
des Materials. Im Falle eines stark leitfähigen Materials ist der Widerstand
des Materials viel geringer als die kapazitive Impedanz (d.h. Rm«Zcm) und der Sensor mißt die Leitfähigkeit
des Materials.
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Um
den Sensor zu verwirklichen, wird an das in 1A gezeigte
Spannungsteilernetzwerk ein Signal Vein gekoppelt und Änderungen
des verstellbaren Impedanzblocks (Zsensor) an Vaus gemessen. Bei
diesem Aufbau ist die Sensorimpedanz Zsensor wie folgt:
Zsensor=Zfest·Vaus/(Vein-Vaus)
(Gleichung 1). Diese Impedanzänderungen
von Zsensor beziehen sich auf physikalische Eigenschaften des Materials
wie z.B. das Materialgewicht, die Temperatur und die chemische Zusammensetzung.
Es ist anzumerken, daß die
optimale Sensorempfindlichkeit erzielt wird, wenn Zsensor ungefähr gleich
Zfest oder in dem Bereich von Zfest liegt.
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Zellengruppe
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4A zeigt
eine elektrische Darstellung einer Zellengruppe 24 (einschließlich der
Zellen 1-n) und die Art und Weise, wie sie arbeitet, um Änderungen
der elektrischen spezifischen Leitfähigkeit der wässrigen
Mischung zu erfassen. Wie gezeigt ist, ist jede Zelle durch ein
Impedanzbauteil, das in dieser Ausführungsform ein Widerstandsbauteil
Ro ist, an Vein von einer Signalerzeugungseinrichtung 25 gekoppelt.
In Bezug auf die Zelle n ist der Widerstand Ro mit der mittleren
Unterelektrode 24D(n) gekoppelt. Die äußeren Elektrodenabschnitte 24A(n) und 24B(n) sind
beide geerdet. In 4A sind auch Widerstände Rs1
und Rs2 gezeigt, die den elektrischen Leitwert der wässrigen
Mischung zwischen jeder äußeren Elektrode
und der mittleren Elektrode darstellen. Die äußeren Elektroden sind so ausgestaltet,
daß sie
von der mittleren Elektrode im wesentlichen gleichmäßig beabstandet
sind und folglich ist der elektrische Leitwert zwischen jeder äußeren Elektrode und
der mittleren Elektrode im wesentlichen gleich (Rs1 = Rs2 = Rs).
Folglich bilden Rs1 und Rs2 einen parallele Widerstandszweig mit
einem effektiven elektrischen Leitwert von ein halb Rs (d.h. Rs/2).
Es ist auch ersichtlich, daß die
Widertände
Ro, Rs1 und Rs2 zwischen Vein und dem Boden ein Spannungsteilernetzwerk bilden. 4B zeigt
die Schnittansicht einer Ausführung
von einem Aufbau einer Zellenelektrode in Bezug auf ein Papierherstellungssystem,
in welchem Elektroden 24A(n), 24B(n) und 24D(n) direkt
unterhalb der Papierbahn 13 angeordnet sind, die in die
wässrigen
Lösung
eingetaucht wird.
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Die
Sensorvorrichtung basiert auf dem Konzept, daß der Widerstand Rs der wässrigen
Mischung und Gewicht/Menge einer wässrigen Lösung umgekehrt proportional
sind. Folglich nimmt Rs ab/zu, wenn das Gewicht zunimmt/abnimmt. Änderungen
von Rs verursachen entsprechende Schwankungen der Spannung Vaus,
wie es durch das Spannungsteilernetzwerk, das Ro, Rs1 und Rs2 aufweist,
vorgeschrieben ist.
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Die
Spannung Vaus von jeder Zelle ist mit der Erfassungseinrichtung 26 gekoppelt.
Daher werden Spannungsänderungen,
die zu Widerstandsänderungen
der wässrigen
Mischung direkt proportional sind, von der Erfassungseinrichtung 26 erfaßt, wobei
dadurch Informationen erzeugt werden, die das Gewicht und die Menge
der wässrigen
Lösung
in der allgemeinen Umgebung oberhalb jeder Zelle betreffen. Die
Erfassungseinrichtung 26 kann eine Einrichtung zum Verstärken der
Ausgangssignale von jeder Zelle aufweisen und sie hat im Fall eines
analogen Signals eine Einrichtung zum Gleichrichten des Signals,
so daß das
analoge Signal in ein Gleichgrößensignal
umgewandelt wird. In einer Ausführung,
die sehr gut für
elektrisch rauschende Umgebungen geeignet ist, ist der Gleichrichter
ein geschalteter Gleichrichter, der einen von Vein gesteuerten PLL-Kreis
hat. Als Ergebnis sperrt der Gleichrichter jede andere Signalkomponente
als die, die die gleiche Frequenz wie das Eingangssignal hat und
schafft somit ein äußerst gut
gefiltertes Gleichstromsignal. Die Erfassungseinrichtung 26 weist
typischerweise auch andere Schaltungen auf, um die Ausgangssignale
von der Zelle in Informationen umzuwandeln, die bestimmte Eigenschaften
der wässrigen
Lösung
darstellen.
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4A zeigt
auch eine Rückführschaltung 27,
die eine Referenzzelle 28 und eine Einrichtung 29 zum Erzeugen
eines Rückführsignals
hat. Das Konzept der Rückführschaltung 27 besteht
darin, eine Referenzzelle derartig zu isolieren, daß sie durch Änderungen
einer anderen physikalischen Eigenschaft der wässrigen Lösung als der wunschgemäß von dem
System erfaßten
beeinflußt
wird. Wenn z.B. gewünscht
ist, daß ein
Wassergewicht erfaßt
werden soll, wird das Wassergewicht konstant gehalten, so daß alle von
der Referenzzelle erzeugten Spannungsänderungen nicht aufgrund der
Wassergewichtsänderungen,
sondern aufgrund von anderen physikalischen Eigenschaften erfolgen.
In einer Ausführungsform
wird die Referenzzelle 28 in eine wässrige Lösung aus recyceltem Wasser
getaucht, das die gleichen chemischen Eigenschaften und Temperatureigenschaften
des Wassers hat, in das die Zellengruppe 24 getaucht ist.
Daher werden alle chemischen Änderungen
oder Temperaturänderungen,
die die von der Gruppe 24 erprobte spezifische elektrische
Leitfähigkeit
beeinflussen, auch von der Referenzzelle 28 erfaßt. Zudem
ist die Referenzzelle 28 derartig aufgebaut, daß das Wassergewicht
konstant gehalten wird. Als Ergebnis erfolgen die von der Referenzzelle 28 erzeugten Spannungsänderungen
Vaus(Referenzzelle) aufgrund von Änderungen der spezifischen
elektrischen Leitfähigkeit
der wässrigen
Mischung und nicht aufgrund von Änderungen
des Gewichtes. Die Einrichtung 29 zum Erzeugen eines Rückführsignales
wandelt die von der Referenzzelle erzeugten, unerwünschten
Spannungsänderungen
in ein Rückführsignal
um, das Vein entweder erhöht
oder verringert und dadurch den Einfluß der falschen Spannungsänderungen
auf das Erfassungssystem ausgleicht. wenn z.B. die spezifische elektrische Leitfähigkeit
der wässrigen
Mischung in der Gruppe aufgrund eines Temperaturanstieges ansteigt,
verringert sich Vaus(Referenzzelle), was eine entsprechende Zunahme
des Rückführsignales
bewirkt. Ein Anstieg von VRückkopplung
erhöht
Vein, was wiederum den anfänglichen
Anstieg der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der wässrigen
Mischung aufgrund der Temperaturänderung
ausgleicht. Als Ergebnis ändert
sich Vaus von den Zellen nur dann, wenn sich das Gewicht der wässrigen
Mischung ändert.
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Ein
Grund dafür,
die Zellengruppe so anzuordnen, wie es in 3 gezeigt
ist, d.h., daß die
mittlere Elektrode zwischen zwei geerdeten Elektroden angeordnet
ist, ist der, daß die
mittlere Elektrode elektrisch isoliert werden soll und jedes äußere Zusammenwirken
zwischen der mittleren Elektrode und anderen Bauteilen in dem System
verhindert werden soll. Es ist jedoch auch ersichtlich, daß die Zellengruppe
aus nur zwei Elektroden aufgebaut sein kann. 5A zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Zellengruppe, die in dem Sensor verwendet werden kann. In dieser
Ausführungsform
weist der Sensor eine erste geerdete, längliche Elektrode 30 und
eine zweite, abgeteilte Elektrode 31 auf, die Unterelektroden 32 hat.
Eine einzige Zelle ist so gebildet, daß sie eine der Unterelektroden 32 und
den Abschnitt der geerdeten Elektrode 30 aufweist, der
in der Nähe der
entsprechenden Unterelektrode liegt. 5A zeigt
1-n Zellen, von welchen jede eine Unterelektrode 32 und
einen angrenzenden Abschnitt der Elektrode 30 hat. 5B zeigt
eine einzelne Zelle n, worin die Unterelektrode 32 durch
ein fest angeordnetes Impedanzbauteil Zfest mit Vein von der Signalerzeugungseinrichtung 25 gekoppelt
ist und worin von der Unterelektrode 32 ein Ausgangssignal
Vaus erfaßt
wird. Es sollte ersichtlich sein, daß die von jeder Zelle erfaßte Spannung
nun von dem Spannungsteilernetzwerk, von der von jeder Zelle erzeugten,
verstellbaren Impedanz und von dem fest angeordneten Impedanzbauteil,
das mit jeder Unterelektrode 32 gekoppelt ist, abhängt. Daher
hängen Änderungen
des elektrischen Leitwertes von jeder Zelle nun von Änderungen
des elektrischen Leitwertes von Rs1 ab. Der Rest des Sensors arbeitet
auf die gleiche Art und Weise wie in der in 4A gezeigten
Ausführungsform.
Insbesondere liefert die Signalerzeugungseinrichtung an jede Zelle
ein Signal und die Rückführschaltung 27 gleicht
Vein für Änderungen
des elektrischen Leitwertes aus, die nicht aus der gemessenen Eigenschaft
resultieren.
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Als
Alternative können
die in den 5A und 5B gezeigten
Zellen derartig gekoppelt sein, daß Vein mit der Elektrode 30 und
jede der Unterelektroden 32 mit den fest angeordneten Impedanzbauteilen
gekoppelt sind, die wiederum geerdet sind.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
der Zellengruppe, die in den 6A und 6B gezeigt
ist, weist die Zellengruppe erste und zweite längliche, räumlich getrennte, abgeteilte
Elektroden 33 und 34 auf, von welchen jede (jeweils)
eine erste und eine zweite Gruppe von Unterelektroden 36 und 35 hat.
Eine einzelne Zelle (siehe 6B) weist
ein Paar von nebeneinander angeordneten Unterelektroden 35 und 36 auf,
worin die Unterelektrode 35 in einer bestimmten Zelle mit
der Signalerzeugungseinrichtung unabhängig gekoppelt ist und die
Unterelektrode 36 in der bestimmten Zelle einem Erfassungsverstärker mit
hoher Impedanz, der Zfest vorsieht, ein Vaus zuführt. Diese Ausführungsform
kann dann verwendet werden, wenn das zwischen den Elektroden vorhandene
Material als Dielektrikum arbeitet, was die Sensorimpedanz hoch
macht. Änderungen
der Spannung Vaus hängen
dann von der Dielektrizitätskonstanten
des Materials ab. Diese Ausführungsform
kann dafür
verwendet werden, daß sie
an der Trockenpartie (siehe 2A) eines
Papierherstellungssystems (und insbesondere unterhalb und in Kontakt
mit Endlospapier 18) verwendet werden kann, weil trockenes Papier
einen hohen Widerstand hat und seine dielektrischen Eigenschaften
leichter zu erfassen sind.
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In
einer in 1A gezeigten physikalischen
Ausführung
des Sensors zum Durchführen
von individuellen Messungen von mehr als einem Bereich eines Materials
ist eine Elektrode des Sensors geerdet und die anderen Elektroden
so geteilt, daß sie
eine Gruppe von Elektroden bilden (die unterhalb im Detail beschrieben sind).
In dieser Ausführung
ist zwischen Vein und jedem der Elektrodenteile ein einzelnes Impedanzbauteil
gekoppelt. In einer Ausführung
zum Durchführen
von individuellen Messungen von mehr als einem Bereich eines Materials
von dem Sensor sind die Positionen des fest angeordneten Impedanzbauteils
und von ZSensor umgekehrt zu der in 1A gezeigten.
Eine Elektrode ist mit Vein gekoppelt und die andere Elektrode ist
abgeteilt und mit einer Gruppe von einzelnen, fest angeordneten
Impedanzbauteilen gekoppelt, die wiederum geerdet sind. In dieser
Ausführung
des Sensors ist daher keine der Elektroden geerdet.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführung
der Sensorvorrichtung, die eine Zellelgruppe 24, eine Signalerzeugungseinrichtung 25,
eine Erfassungseinrichtung 26 und eine optionale Rückführschaltung 27 aufweist.
Die Zellengruppe 24 weist zwei längliche, geerdete Elektroden 24A und 24B und
eine mittlere Elektrode 24C auf, die von den Elektroden 24A und 24B räumlich getrennt
und zwischen diesen mittig angeordnet ist und aus Unterelektroden 24D(1)-24D(n) gebildet
ist. Eine Zelle innerhalb der Gruppe 24 wird so gebildet, daß sie eine
der Unterelektroden 24D hat, die zwischen einem Abschnitt
von jeder der geerdeten Elektroden 24A und 24B angeordnet
ist. Die Zelle 2 weist z.B. die Unterelektrode 24D(2) und
die Abschnitte 24A(2) und 24B(2) der geerdeten
Elektroden 24A und 24B auf. Zur Verwendung in
dem in 2 gezeigten System liegt die
Zellengruppe 24 unterhalb des Haltegewebes 13 und
steht mit diesem in Kontakt und sie kann in Abhängigkeit von der gewünschten
Informationsart entweder parallel zu der Maschinenrichtung (MD)
oder parallel zu der Querrichtung (CD) angeordnet sein. Um die Sensorvorrichtung
dafür zu
verwenden, das Fasergewicht in einer Mischung eines nassen Papierstoffes
durch Messen seiner elektrischen spezifischen Leitfähigkeit
zu erfassen, muß sich
der nasse Papierstoff in einem solchen Zustand befinden, daß das gesamte
oder fast das gesamte Wasser von der Faser gehalten wird. In diesem
Zustand bezieht sich das Wassergewicht des nassen Papierstoffes
direkt auf das Fasergewicht und die Leitfähigkeit des Wassergewichtes
kann erfaßt
und dazu verwendet werden, um das Gewicht der Faser in dem nassen
Papierstoff zu bestimmen.
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Jede
Zelle ist durch ein Impedanzbauteil Zfest mit einer Eingangsspannung
(Vein) von der Signalerzeugungseinrichtung 25 unabhängig gekoppelt
und liefert zu der Spannungserfassungseinrichtung 26 auf
einem Bus Vaus eine Ausgangsspannung. Die Signalerzeugungseinrichtung 25 liefert
Vein. In einer Ausführungsform
ist Vein ein analoges wellenförmiges
Signal, es können
jedoch auch andere Signalarten, wie z.B. ein Gleichgrößensignal
verwendet werden. In der Ausführungsform,
in der die Signalerzeugungseinrichtung 25 ein wellenförmiges Signal
erzeugt, kann sie auf verschiedene Arten verwendet werden und weist
typischerweise einen Kristalloszillator zur Erzeugung eines Sinussignals
und einen PLL-Kreis zur Signalstabilität auf. Wenn statt eines Gleichgrößensignals
ein Wechselgrößensignal
verwendet wird, liegt der Vorteil darin, daß sie wechselgrößengekoppelt
sein kann, um einen Gleichgrößenversatz
zu beseitigen.
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Die
Erfassungseinrichtung 26 weist eine Schaltung zum Erfassen
von Spannungsänderungen
von jeder Unterelektrode 24D und eine Umwandlungsschaltung
zum Umwandeln der Spannungsänderungen
in verwendungsfähige
Informationen, die die physikalischen Eigenschaften der wässrigen
Mischung betreffen, auf. Die optionale Rückführschaltung 27 weist
eine Referenzzelle auf, die auch drei Elektroden hat, welche ähnlich aufgebaut
sind wie eine Zelle in der Sensorgruppe. Die Referenzzelle arbeitet
so, daß sie
auf unerwünschte Änderungen
einer physikalischen Eigenschaft, die nicht die physikalische Eigenschaft
der wässrigen
Lösung ist,
die wünschenswerterweise
durch die Gruppe erfaßt
werden soll, in der wässrigen
Lösung
anspricht. Wenn z.B. der Sensor aufgrund von Änderungen des Wassergewichtes
Spannungsänderungen
erfaßt,
ist die Referenzzelle so aufgebaut, daß sie ein konstantes Wassergewicht
erfaßt.
Folglich basieren alle Spannungs/Leitfähigkeitsänderungen, die durch die Referenzzelle
aufgezeigt werden, auf physikalischen Eigenschaften der wässrigen
Lösung,
die nicht die Gewichtsänderungen
(wie z.B. die Temperatur und die chemische Zusammensetzung) sind.
Die Rückführschaltung
verwendet die von der Referenzzelle erzeugten Spannungsänderungen dafür, um ein
Rückführsignal
(VRückkopplung)
zu erzeugen, um Vein für
diese ungewollten Eigenschaftsänderungen
der wässrigen
Mischung (die unterhalb ausführlicher
beschrieben werden) auszugleichen und einzustellen. Die Informationen,
die nicht das Gewicht, sondern die Leitfähigkeit der wässrigen
Mischung betreffen und von der Referenzzelle erzeugt werden, können Daten
erzeugen, die bei dem Papierbahnherstellungsprozeß verwendet
werden können.
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Bei
dem System der 2A und 2B können einzelne
Zellen in dem Sensor 24 schnell derartig verwendet werden,
daß jede
der einzelnen Zellen (1 bis n) jedem einzelnen UW3-Sensor
(oder Bauteil) 9A, 9B und 9C entspricht.
Die Länge
von jeder Unterelektrode (24D(n)) bestimmt das Auflösungsvermögen von
jeder Zelle. Die Länge
beträgt
typischerweise 1 bis 6 Inch.
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Die
Sensorzellen sind unterhalb der Papierbahn, vorzugsweise stromabwärts von
der trockenen Papierbahn angeordnet, die bei einer Langsiebmaschine
typischerweise eine sichtbare Begrenzungslinie ist, welche dem Punkt
entspricht, wo auf der Oberseite des Papierstoffes nicht länger eine
glänzende
Schicht von Wasser vorhanden ist.
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Ein
Verfahren zur Herstellung der Gruppe ist es, ein Foil oder eine
Streichleiste von einer Streichleistenanordnung als Halterung bzw.
Träger
für die
Komponenten der Gruppe zu verwenden. In einer bevorzugten Ausführungsform
hat jede der geerdeten Elektroden und der mittleren Elektroden eine
Oberfläche,
die mit der Oberfläche
des Foils bündig
angeordnet ist.
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Es
ist anzumerken, daß in
dem Fall, in dem eine Gruppe 24 von Sensorzellen, wie sie
in 3 gezeigt ist, aufgrund von Hindernissen in dem
System nicht entlang der Maschinen- oder Querrichtung des Papierherstellungssystems
angeordnet werden kann, die einzelnen Sensorzellen entlang der Quer-
oder Maschinenrichtung des Systems angeordnet werden können. Jede
Zelle kann anschließend Änderungen
der Leitfähigkeit
an dem Punkt individuell erfassen, an dem sie angeordnet ist, was
dann zur Bestimmung der Flächenmasse
verwendet werden kann. Wie in den 3 und 4b gezeigt
ist, weist eine Zelle wenigstens eine geerdete Elektrode (entweder 24A(n) oder 24B(n) oder
beide) und eine mittige Elektrode 24D(n) auf.
