EP0653049A1 - Verfahren zur messung der strichdicke beim streichen von papier, vorrichtung zur durchfuhrung des verfahrens und verwendung der vorrichtung - Google Patents
Verfahren zur messung der strichdicke beim streichen von papier, vorrichtung zur durchfuhrung des verfahrens und verwendung der vorrichtungInfo
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Definitions
- the invention relates to a method for measuring the line thickness when coating paper by means of a sheet-shaped doctor element which applies the coating ink to a paper web guided over a roller. Furthermore, the invention relates to a device for performing the method and a special use of this device.
- Devices for coating paper webs or cardboard webs comprise the application unit, the drying device and measuring devices as basic elements.
- the application unit which is also referred to as a coater, serves to apply the coating ink in the desired amount to the paper or cardboard surface and to level it.
- the drying device is used to heat and evaporate or evaporate the water applied with the coating ink , so that the coating color forms a uniformly dry layer connected to the paper surface and the paper assumes the necessary moisture content for the next processing step.
- measuring devices in front of the applicator and behind the dryer serve to continuously record and control the essential parameters, for example the line thickness of the coating color applied to the paper or cardboard web.
- the object of the present invention is to detect the line thickness of the coated coating color without producing a larger reject.
- this object is achieved in a generic method in that the distance from the blade tip of the sheet-shaped doctor element to the surface of the paper web is determined continuously by contactless measurement of the deflection of the blade tip of the sheet-shaped doctor element.
- the distance between the blade tip of the sheet-like doctor element and the surface of the paper web is in a simple trigonometric relationship with the measured deflection of the sheet-like doctor element, so that due to the continuously measured deflection, the gap between the strike edge of the sheet-like doctor element and the surface of the paper web is immediate can be determined.
- the line thickness The coating color differs from the gap measured in each case only by a constant factor which depends on the respective physical conditions of the coating color applied, the coated paper and the operating conditions. This constant factor can be determined by preliminary tests so that it is established for a defined pairing of a certain type of paper or cardboard with a corresponding coating color and the operating conditions.
- the method according to the invention is characterized in that the deflection of the sheet-shaped doctor element is measured without contact.
- the sheet-shaped doctor element can be exchanged without any problems after its wear and tear, without having to replace or connect corresponding sensors, which can optionally be attached to the doctor element.
- Inductive or capacitive sensors or sensors based on eddy current are advantageously suitable for contactless measurement of the deflection of the doctor element.
- the laser triangulation method can be used particularly advantageously.
- the laser Doppler method can also be used for the contactless measurement of the deflection of the doctor element.
- a device for carrying out the aforementioned method is characterized in that the distance measuring sensor for the contactless, continuous distance measurement is arranged in a holder of the sheet-shaped doctor element in such a way that the deflection of the blade tip of the sheet-like doctor element can be detected precisely.
- the device according to the invention can also advantageously be used to determine the viscosity of the coating color under operating conditions, since apart from fixed geometric constants and material constants it depends on the thickness of the gap between the sheet-shaped doctor element and the surface of the paper web.
- the device according to the invention can also advantageously be used for the early detection of a deterioration in the line quality and the deterioration of the running properties of the paper web, since vibrations of the bath or the floating of the bath can be recognized immediately.
- Figure 1 is a system diagram of a coating device according to the prior art
- Figure 2 is a schematic representation of the paper web surface and in the
- Figure 3 is a schematic diagram to explain the laser triangulation used in the inventive method
- Figure 4 is a schematic diagram to explain the measuring method according to the invention.
- FIG. 1 shows a system diagram for a double-sided blade coating system 10.
- the raw paper or the raw cardboard 12 is unwound from a supply roll 14 and passed through a measuring station 16, in which the basis weight and the basic moisture of the raw paper or the raw cardboard are measured.
- the paper or cardboard web then runs through a first applicator unit 18, where the coating color is applied via a blade-shaped doctor element 20 - the so-called blade.
- the paper or cardboard web then runs through a drying device 22 before it is fed to a measuring station 24, for example, based on the measurement of the finished weight, the coat weight of the surface layer spread on one side is determined.
- the coating process is then repeated for the surface of the raw paper or raw cardboard web 12 that has not yet been coated in an application unit 26 before the paper or cardboard web passes through a dryer 28.
- the coating weight of the second coated surface is then measured in a measuring station 30.
- the paper or cardboard web 12 coated on both sides is rolled up onto a roll 32.
- the deflection f of the sheet-shaped doctor element 20 measured continuously by means of a laser triangulation device 34 near the blade tip 36 of the sheet-shaped doctor element.
- the distance s between the blade tip 36 of the sheet doctor element 20 and the surface of the paper or Cardboard web 12 corresponds to the layer thickness of the coating 38 passing between the paper surface 12 and the blade tip 36.
- Const. and Const. ' depend on the raw paper or cardboard used, the coating color used and the selected machine parameters. This constant can be determined in advance for a certain material pairing and certain machine parameters, so that it is fixed for these parameters and can be called up, for example, from the memory of a central unit in the application.
- the principle of the laser triangulation sensor 34 is shown in FIG. There, a laser beam 42 is emitted by a laser diode 40, which produces a light spot on the surface of the measurement object. This light spot is imaged with a receiving optic 44 in the sensor head on an elongated position-sensitive photodiode 46. The lateral displacement of the light spot on the photodiode 46 generates electrical currents which are a measure of the linear distance between the sensor 34 and the measurement object.
- This laser triangulation sensor 34 is arranged in a holder 48 of the sheet-like doctor element 20 such that the laser beam 42 can be directed onto the sheet-like doctor element 20 near the blade tip 36 (see FIG. 2).
- the measuring stations 24 and 30 can be dispensed with in order to determine a line thickness. Rather, once the system to be processed has been calibrated, the line thickness can be determined continuously and directly in the respective application units 18 and 26 given given operating parameters.
- the viscosity of the coating color 38 can likewise be determined via the gap thickness s continuously determined for this purpose on the basis of the following relationships:
- ⁇ stands for the dynamic viscosity of the coating color to be determined.
- F v denotes the pretensioning path of the elastic sheet-shaped doctor element 20.
- E stands for the modulus of elasticity of the sheet-like doctor element 20.
- L denotes the projection of the sheet-like doctor element 20 (see FIG. 2).
- Mi w 0 denotes the roller speed of the roller over which the paper or cardboard web 12 runs, h is the thickness of the sheet-shaped doctor element 20.
- b is the width of the doctor element 20.
- p denotes the density of the coating color.
- K and K 2 are machine constants.
- the continuously recorded viscosity of the coating color used is one of the determining parameters for the running properties of the coating color and thus the line quality. After the use according to the invention, this can be determined simultaneously with the line thickness.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Streichdicke beim Streichen von Papier (12) mittels eines blattförmigen Rakelelements (20), das die Streichfarbe auf eine über eine Walze geführte Papierbahn (12) aufträgt. Hier wird erfindungsgemäss kontinuierlich die Auslenkung des blattförmigen Rakelelements (20) nahe der Bladespitze (36) durch berührungsloses Messen bestimmt. Dadurch kann aufgrund einer einfachen trigonometrischen Beziehung der Abstand von der Kante des blattförmigen Rakelelements (20) zu der Oberfläche der Papierbahn (12) und aufgrund einer feststehenden Beziehung zwischen diesem Abstand und der Strichdicke letztere kontinuierlich unmittelbar im Auftragwerk (18, 26) gemessen werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine besondere Verwendung dieser Vorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung der Viskosität der Streichfarbe.
Description
B E S C H R E I B U N G
Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Vorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier mittels eines blattförmigen Rakelelements, das die Streichfarbe auf eine über eine Walze geführte Papierbahn aufträgt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine spezielle Verwendung dieser Vorrichtung.
Naturpapiere, wie sie die Papiermaschine verlassen, eignen sich nicht für alle Druck¬ zwecke. Gerade für anspruchsvolle Druckerzeugnisse ist die Papieroberfläche nicht gleichmäßig genug. Dort wo besondere Anforderungen an naturgetreue Bildwiedergabe und Brillanz gestellt werden, ist eine glatte, geschlossene Oberfläche des Druckträgers notwendig, der die Druckfarbe gleichmäßig annimmt. Daher wird auf die Papierober¬ fläche eine Schicht aus einem bzw. verschiedenen Pigmenten, hauptsächlich Kaolin und Caiciumcarbonat, die sogenannte Streichfarbe, aufgetragen. Dieser Auftragvorgang wird als "Streichen" bezeichnet.
Vorrichtungen zum Streichen von Papierbahnen oder auch Kartonbahnen umfassen als Grundelemente das Auftragwerk, die Trockeneinrichtung und Meßeinrichtungen. Das Auftragwerk, das auch als Coater bezeichnet wird, dient dazu, die Streichfarbe in der gewünschten Menge auf die Papier- oder Kartonoberfläche aufzutragen und zu egalisie¬ ren. Die Trockeneinrichtung dient dazu, das mit der Streichfarbe aufgetragene Wasser aufzuheizen und zu verdunsten bzw. verdampfen, so daß die Streichfarbe eine gleichmä¬ ßig trockene und mit der Papieroberfläche verbundene Schicht bildet und das Papier für den nächsten Verarbeitungsschritt den notwendigen Feuchtigkeitsgehalt annimmt. Schließlich dienen Meßeinrichtungen vor dem Auftragwerk und hinter dem Trockner zur kontinuierlichen Erfassung und Kontrolle der wesentlichen Parameter, beispielsweise der Strichdicke der auf die Papier- oder Kartonbahn aufgetragenen Streichfarbe. Dabei erweist es sich insbesondere beim Anfahren der Maschine beispielsweise nach dem Wechseln des regelmäßig auszuwechselnden blattförmigen Rakelelementes als nach¬ teilig, daß zur Einstellung der Strichdicke jeweils die Papier- oder Kartonbahn die
Streichanlage bis zur hinter der Trockeneinrichtung angeordneten Meßeinrichtung zum Messen der Strichdicke geführt werden muß. Bis demnach die gewünschte Strichdicke jeweils eingestellt ist, muß ein verhältnismäßig großer Papier- bzw. Kartonausschuß hingenommen werden.
Stand der Technik
Aus der EP 426 980 A2 ist es bekannt, die Änderung des Winkels der Bladespitze eines Rakelelements durch einen Signalgeber zu erfassen, der unmittelbar oder über eine Halterung mittelbar auf der metallischen Streichklinge haftet. Dieses Verfahren der Winkeländerung weist aber zunächst den Nachteil auf, daß durch das unmittelbare Aufbringen des Sensors bzw. das mittelbare Aufbringen des Sensors über ein Haltee¬ lement an der entsprechenden Stelle die Biegeeigenschaft des Rakelelements verändert werden. Zum anderen muß jeweils beim Auswechseln des Rakelelements der Sensor neu positioniert und angeschlossen werden. Darüber hinaus wird die vorbekannte Winkelmessung nur zur Regelung einer konstanten Strichqualität und zur Erfassung des Klingenverschleißes verwendet.
Diese Nachteile ergeben sich beim berührungsloses Messen entsprechend dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren nicht mehr.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Strichdicke der aufgestrichenen Streich¬ farbe zu erfassen, ohne einen größeren Ausschuß zu produzieren.
Erfindungsgemäß wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren diese Aufgabe dadurch gelöst, daß kontinuierlich durch berührungsloses Messen der Auslenkung der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements der Abstand von der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements zu der Oberfläche der Papierbahn bestimmt wird. Der Abstand zwischen der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements und der Oberfläche der Papierbahn steht mit der gemessenen Auslenkung des blattförmigen Rakelelements in einer einfachen trigonometrischen Beziehung, so daß aufgrund der kontinuierlich gemessene- nen Auslenkung unmittelbar der Spalt zwischen der Streichkante des blattförmigen Rakelelements zu der Oberfläche der Papierbahn bestimmt werden kann. Die Strichdicke
der Streichfarbe unterscheidet sich von dem jeweils gemessenen Spalt wiederum nur durch einen konstanten Faktor, der von den jeweiligen physikalischen Gegebenheiten der aufgetragenen Streichfarbe, des bestrichenen Papiers und den Betriebsbedingungen abhängt. Dieser konstante Faktor kann durch Vorversuche festgelegt werden, so daß er für eine festgelegte Paarung eines bestimmten Papier- bzw. Kartontyps mit einer entsprechenden Streichfarbe und den Betriebsbedingungen feststeht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Auslenkung des blattförmigen Rakeleiements berührungslos gemessen wird. Somit kann das blattförmige Rakelelement nach seiner Abnutzung problemlos ausgewechselt werden, ohne ent¬ sprechende Sensoren, die gegebenenfalls auf dem Rakelelement angebracht sein können, auswechseln bzw. anschließen zu müssen.
Zur berührungslosen Messung der Auslenkung des Rakelelements eignen sich vorteilhaft induktive oder kapazitive Sensoren oder auch Sensoren auf Wirbelstrombasis. Schlie߬ lich läßt sich das Verfahren der Lasertriangulation besonders vorteilhaft anwenden. Auch das Laser-Dopplerverfahren kann zur berührungslosen Messung der Rakelelement¬ auslenkung eingesetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß der Abstandsmeßsensor für die berührungslose kon¬ tinuierliche Abstandsmessung in einer Halterung des blattförmigen Rakelelements derart angeordnet ist, daß die Auslenkung der Bladespitze des blattförmigen Rakelelements genau erfaßt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft auch zur Bestimmung der Viskosität der Streichfarbe unter Betriebsbedingungen verwendet werden, da diese abgesehen von feststehenden geometrischen Konstanten und Materialkonstanten von der Dicke des Spaltes zwischen dem blattförmigen Rakelelement und der Oberfläche der Papierbahn abhängt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhaft auch zur Früherkennung nachlassender Strichqualität und der Verschlechterung der Laufeigenschaften der Papierbahn verwenden, da beispielsweise Vibrationen des Biades oder das Aufschwim¬ men des Biades sofort erkannt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Anlagenschema einer Streichvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, Figur 2 eine schematische Darstellung der Papierbahnoberfläche und des in der
Haltevorrichtung angeordneten blattförmigen Rakelelements, Figur 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der im erfindungsgemäßen Verfahren angewandten Lasertriangulation und Figur 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Figur 1 ist ein Anlagenschema für eine doppelseitige Blade-Streichanlage 10 darge¬ stellt. Dort wird das Rohpapier oder der Rohkarton 12 von einer Vorratsrolle 14 abgewickelt und durch eine Meßstation 1 6 geführt, in der das Basisgewicht und die Basisfeuchte des Rohpapiers bzw. des Rohkartons gemessen wird. Anschließend durchläuft die Papier- bzw. Kartonbahn ein erstes Auftragwerk 18, wo über ein blatt¬ förmiges Rakelelement 20 - das sogenannte Blade - die Streichfarbe aufgetragen wird. Anschließend durchläuft die Papier- bzw. Kartonbahn eine Trockeneinrichtung 22, bevor sie einer Meßstation 24 zugeführt wird, so beispielsweise aufgrund der Messung des Fertiggewichts das Strichgewicht der auf einer Seite aufgestrichenen Oberflächen¬ schicht bestimmt wird. Anschließend wiederholt sich der Streichvorgang für die bislang noch nicht beschichtete Oberfläche der Rohpapier- bzw. Rohkartonbahn 12 in einem Auftragwerk 26, bevor die Papier- bzw. Kartonbahn einen Trockner 28 durchläuft. In einer Meßstation 30 wird dann das Strichgewicht der zweiten beschichteten Oberfläche gemessen. Schließlich wird die doppelseitig bestrichene Papier- bzw. Kartonbahn 12 auf eine Rolle 32 aufgerollt.
Gemäß der schematischen Figur 4 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einer konventionellen Anlage gemäß Figur 1 unmittelbar in den Auftragwerken 1 8 bzw. 26 angeordnet sein kann, wird die Auslenkung f des blattförmigen Rakelelements 20
mittels einer Lasertriangulationsvorrichtung 34 nahe der Bladespitze 36 des blatt¬ förmigen Rakelelements kontinuierlich gemessen. Unter Berücksichtigung des Anstell¬ winkels ψ des blattförmigen Rakelelements zu der Papier- bzw. Kartonbahn 1 2 ergibt sich der Abstand f aufgrund der Beziehung s = f x cos φ Der Abstand s zwischen der Bladespitze 36 des blattförmigen Rakelelements 20 und der Oberfläche der Papier- bzw. Kartonbahn 12 entspricht der Schichtdicke der zwischen der Papieroberfläche 12 und der Bladespitze 36 hindurchtretenden Streichfarbe 38. Dieser bestimmte Spaltabstand s steht zu der endgültigen Strichdicke d in folgender Beziehung: dn.ß = Const. x s dtroeken = ConSt.' X dnaß
Die Konstanten Const. und Const.' hängen von dem eingesetzten Rohpapier- bzw. Rohkarton, der eingesetzten Streichfarbe und den gewählten Maschinenparametern ab. Diese Konstante kann für eine bestimmte Materialpaarung und bestimmte Maschinenpa¬ rameter vorab bestimmt werden, so daß sie für diese Parameter festliegt und beispiels¬ weise aus dem Speicher einer Zentraleinheit im Anwendungsfall abrufbar ist.
In Figur 3 ist das Prinzip des Lasertriangulationssensors 34 dargestellt. Dort wird von einer Laserdiode 40 ein Laserstrahl 42 ausgesandt, der auf der Oberfläche des Me߬ objektes einen Lichtfleck produziert. Dieser Lichtfleck wird mit einer Empfangsoptik 44 im Sensorkopf auf einer gestreckten positionsempfindlichen Fotodiode 46 abgebildet. Die laterale Verschiebung des Lichtfleckes auf der Fotodiode 46 erzeugt elektrische Ströme, die ein Maß für die lineare Distanz zwischen dem Sensor 34 und dem Me߬ objekt sind.
Dieser Lasertriangolationssensor 34 ist in einer Halterung 48 des blattförmigen Rakel¬ elements 20 derart angeordnet, daß der Laserstrahl 42 auf das blattförmige Rakel¬ element 20 nahe der Bladespitze 36 gerichtet werden kann (vergleiche Figur 2).
Durch Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine Streichanlage gemäß Figur 1 kann zur Ermittlung einer Strichdicke auf die Meßstationen 24 und 30 verzichtet werden. Vielmehr kann die Strichdicke nach einmal erfolgter Kalibrierung des zu verarbeitenden Systems bei gegebenen Betriebsparametern kontinuierlich unmittelbar in den jeweiligen Auftragswerken 18 bzw. 26 ermittelt werden.
Über die hierzu kontinuierlich bestimmte Spaltdicke s läßt sich gleichfalls die Viskosität der Streichfarbe 38 aufgrund folgender Beziehungen bestimmen:
In dieser Beziehung steht η für die zu bestimmende dynamische Viskosität der Streich¬ farbe. Mit fv ist der Vorspannweg des elastischen blattförmigen Rakelelements 20 bezeichnet. E steht für den Elastizitätsmodul des blattförmigen Rakelelements 20. L bezeichnet die Ausladung des blattförmigen Rakelelements 20 (vergleiche Figur 2). Mi w0 ist die Walzengeschwindigkeit der Walze, über die die Papier- bzw. Kartonbahn 12 läuft, bezeichnet, h ist die Stärke des blattförmigen Rakelelements 20. b ist die Breite des Rakelelements 20. p bezeichnet die Dichte der Streichfarbe. K, und K2 sind Maschi¬ nenkonstanten.
Die kontinuierlich erfaßte Viskosität der verwendeten Streichfarbe ist einer der bestim¬ menden Parameter für die Laufeigenschaften der Streichfarbe und somit der Strichquali¬ tät. Diese kann nach der erfindungsgemäßen Verwendung gleichzeitig mit der Strich¬ dicke bestimmt werden.
Claims
1.
Verfahren zur Messung der Strichdicke beim Streichen von Papier (12) mittels eines blattförmigen Rakelelements (20), das die Streichfarbe auf eine über eine Walze geführte Papierbahn aufträgt, dadurch gekennzeichnet, daß kon¬ tinuierlich durch berührungsloses Messen der Auslenkung des blattförmigen Rakel¬ elements (20) nahe seiner Streichkante der Abstand von der Bladespitze (36) des blattförmigen Rakelelements (20) zu der Oberfläche der Papierbahn (12) bestimmt wird.
2.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Messung der Auslenkung ein induktiver Sensor verwendet wird.
3.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Messung der Auslenkung ein kapazitiver Sensor verwendet wird.
4.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Messung der Auslenkung ein Sensor auf Wirbelstrombasis verwendet wird.
5.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Messung der Auslenkung die Lasertriangulation verwendet wird.
6.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Messung der Auslenkung das Laser-Dopplerverfahren verwendet wird.
7.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Halterung des blattförmigen Rakelelements (20) ein Abstandsmeßsensor (34) derart angeordnet ist, daß die Aus¬ lenkung der Bladespitze (36) des blattförmigen Rakelelements (20) berührungslos kontinuierlich meßbar ist.
8.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Bestimmung der Viskosität der
Streichfarbe.
9.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Früherkennung nachlassender
Strichqualität unter Verschlechterung der Laufeigenschaften.
Applications Claiming Priority (5)
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