Archiv Papiertechnik

Messtechnischer Fortschritt

Ein Feuchtesensor muss trotz Schmutz, hoher Temperatur und Luftfeuchte am Installationsort präzise messen. Ein neuer Sensor nutzt Spektroskopie mit vier Wellenlängen.

Manfred Reusch, Nico Theobald

In jeder Papier- und Kartonmaschine befindet sich ein Qualitätsleitsystem, welches die wichtigsten Qualitätsmerkmale während des Produktionsprozesses bzw. an dem Fertigprodukt bestimmt. Hierbei ist die Feuchte, gemessen an den verschiedenen Orten entlang des Produktionsprozesses ein wesentlicher Qualitätsparameter.

Die Vorteile des neuen Messsystems MRP IR 2006 der MRP Automatisierungstechnik GmbH sind:

· schnelle und genaue „same spot Messung“

· applikationsabhängig einstellbare Messfleckgröße/Ortsauflösung

· Unempfindlichkeit gegenüber Bahnflattern

· feststehende Messungen können an schwer zugänglichen Orten und unter widrigsten Umweltbedingungen erfolgen.

· Messung der Oberflächenfeuchte und der kompletten Feuchte mit einem Messgerät

· Messung der durchdringenden Feuchte bis zu Flächengewichten von 600g/m² sind möglich

Das neue Messsystem setzt in seiner Konstruktion optische, elektrooptische und elektronische Komponenten nach dem aktuellen Stand der Technik ein. Darüber hinaus wurde ein mathematisches Messmodell zur Spektroskopie an Papier mit vier diskreten Wellenlängen entwickelt, das im Flächengewichtsbereich ab 10 g/m2 bis zu 700 g/m2 hinein die Lichtabschwächung korrekt beschreibt.

Das MRP Infrarot-(IR)-Messsystem besteht aus einer Sender- und einer Empfängereinheit, zwischen denen die Papierbahn in einer Traverse geführt wird. Die Sendereinheit enthält eine Lichtquelle, die über eine fokussierende Optik die Papierbahn beleuchtet. Über die Fokussierung wird die Dimension des Lichtfleckes in der Papierbahn gesteuert je nach Anforderung an die örtliche Auflösung der Messung.

In der Empfängereinheit auf der anderen Seite der Papierbahn wird der beleuchtete Messfleck mit einem Objektiv in eine Bildebene verkleinert abgebildet.

Im Fokus des Objektivs befindet sich die Eintrittsfläche einer speziellen Lichtleit-Faseroptik. Bestehend aus circa 2000 Einzelfasern, hier in der Bildebene noch in einer Fläche vereint, wird die Faseroptik in vier Teilbündel aufgeteilt. Diese werden zu vier Spektralkanälen, indem deren Ausgangsflächen jeweils mit einer Kombination aus Spektral-Bandpassfilter und Infrarotdetektor abgeschlossen werden.

Dieser Entwurf hat gegenüber bisherigen Systemen mindestens vier entscheidende Vorteile:

· Für eine schnelle saubere Papierspektroskopie ist es notwendig, dass die spektralen Informationen gleichzeitig bei allen Wellenlängen aus demselben Papierelement gewonnen werden. Dies läuft in der technischen Literatur unter dem Begriff „same spot measurement“, um es abzusetzen von der des „rotierenden Filterrades“. Die spektrale Messung wird damit unabhängig von kleinflächigen Variationen, die unvermeidlich ja schon auf der Ebene der Papierformation vorhanden sind. Integrierende Zeitkonstanten in der Messwertverarbeitung können deswegen stark zurückgenommen werden und schon eine einzige schnelle Quertraversierung des Messsystems zeigt nahezu das wahre Feuchte-Querprofil.

· Durch die Brennweite des Objektivs und angepasste Blendendurchmesser in der Bildebene kann auf einfache Weise das Gesichtsfeld der Empfangsoptik kontrolliert werden. Dies wird dazu benutzt, um die Größe des tatsächlichen Messflecks in der Papierbahn und damit die örtliche Auflösung festzulegen. Dies ist wichtig für die Erzeugung eines hoch aufgelösten Querprofils. Messfleckbreiten bis nach 5 mm sind realisierbar. Andererseits ist manchmal bei feststehenden Sensoren ein möglichst breiter Messfleck gewünscht.

· Sobald das Infrarotlicht in der Faseroptik „gefangen“ ist, hängt dessen Weiterleitung zu den Detektoren nur noch von faseroptischen Gesetzen ab. Durch eine fixierte Faserführung innerhalb des Messkopfes ist ein Passline-Effekt nicht mehr zu befürchten. Der Einfluss von Bahnwelligkeiten und Bahnflattern im Bereich der Traverse werden damit extrem gedämpft.

· Mittels der Möglichkeit zur nahezu beliebigen Verlängerung der Faseroptik können Feuchtemessungen innerhalb der Maschine an schwer zugänglichen Orten realisiert werden. Hierbei kann die Optik/Faseroptik an den Messort gebracht werden, die Elektronik kann in sicherer Entfernung installiert werden.

Die vier einzelnen Infrarotdetektoren und die Spektralfilter werden in ihrer Temperatur über thermoelektrische Kühler sehr sorgfältig auf Konstanz geregelt, die mehrkanalige Verstärkerelektronik ist hochempfindlich, stabil und rauscharm aufgebaut. Ein in die Empfangseinheit integrierter Mikroprozessor bereitet die Messsignale mit 16-bit Auflösung auf und übergibt die Messdaten über eine Profibus-Schnittstelle an ein übergeordnetes Qualitätsleitsystem (QLS). Eine schematische Darstellung des optomechanischen Systemaufbaus zeigt Abb. 1.

Abb.2 verdeutlicht den kompakten Aufbau der Empfängereinheit ohne Gehäuse.

Um den Einfluss von Temperaturänderungen, Komponentenalterungen und Verschmutzungen auf die Messsignale zu eliminieren, wird jedes Messsystem zyklisch standardisiert. Aus unserer beschriebenen Empfangseinheit wird ein Messsystem für Remissionsmessung, indem dort eine kleine Lichtquelle mit fokussierender Optik zusätzlich eingebaut wird. Diese Erweiterung beinhaltet keine sonstigen Änderungen an dem optischen Empfangssystem. In der Sendereinheit ist die Lichtquelle abgeschaltet, ein entsprechender Reflektor wird eingeschwenkt.

Mittlerweile ist der Feuchtesensor MRP-IR2006 an mehreren Papier- und Weiterverarbeitungsmaschinen erfolgreich im Einsatz. Deutlich sind die Vorteile der neuen Entwicklung gegenüber den herkömmlichen Filterradsystemen dokumentiert. Besonders bei leichteren Papieren sind die Vorteile unübersehbar. Hier gibt es Installationen, in denen sowohl die herkömmliche Technik als auch die neue MRP Technik für einen Testzeitraum parallel betrieben worden sind. Bei den unterschiedlichsten Installationen liegt der Arbeitsbereich sowohl in Bereichen von wenigen Prozent Feuchte als auch in Bereichen von über 50 Prozent Feuchte.

MRP Automatisierungstechnik GmbH, Mayen, Deutschland; info@mrp-at.de

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