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Gegenstand
der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen
der Position des Seitenrandes einer bewegten Bahn, wie zum Beispiel
der Papiermaschinenbespannung oder der Papierbahn.
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Papier-
und Kartonmaschinen enthalten walzenumschlingende Bespannungsschlaufen,
die sich ohne besondere Regulierung unter Umständen allmählich zu der einen oder anderen
Stirnseite der Walze hin verlagern. Bei den bekannten zur Bespannungsregulierung
eingesetzten Systemen war eines der zentralen Probleme die zuverlässige Erkennung der
Position des Bespannungsrandes. Mit der Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit
der Papier- und Kartonmaschinen
wurden an die Bespannungsrand-Überwachungssysteme
immer höhere
Anforderungen gestellt, die besonders die Genauigkeit und Geschwindigkeit
der Messung betreffen. Es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, ein
zuverlässiges Bespannungsrand-Überwachungssystem zu schaffen.
Eine noch größere Herausforderung
stellt diese Aufgabe dar, wenn die Überwachung des Bahnrandes berührungsfrei
erfolgen soll. Schon allein das Ermitteln einer passenden Stelle
für die
die Bespannungsposition messenden Sensoren stellt hohe Anforderungen.
Außerdem
drohen die Kosten der Messanlage oft zu hoch auszufallen.
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Die Überwachung
des Bespannungsrandes in Maschinenquerrichtung erfolgte bisher traditionell mit
einem auf Kontakt basierenden Taster. Das Problem dabei war neben
der allgemeinen Funktionstüchtigkeit
die Abnutzung von Bespannungsrand und Taster. Bekannt sind auch
auf optischer, hydraulischer, elektrischer, pneumatischer und akustischer Basis
arbeitende Randpositionsanzeiger. Auf optischer Messung basierende
Verfahren zur berührungsfreien Überwachung
des Materialbahn- oder Bespannungsrandes
sind unter anderem in den
FI-Patentschriften 88828 und
94176 beschrieben. Als Schwächen der
optischen Verfahren sind neben der Sauberhaltung der Optik auch
Farb- und Transparenzschwankungen der Bespannung zu nennen, die
sich auf das Messergebnis und den Kalibrierbedarf der Messvorrichtung
auswirken. Außerdem
besteht dabei das Risiko, dass die Messung in Situationen, in denen
zum Beispiel ein Papierfetzen zwischen Messkopf und Bespannung gerät, außer Kontrolle
gerät.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein neues und zuverlässiges Verfahren und eine neue
und zuverlässige
Vorrichtung zur Überwachung
des Seitenrandes einer bewegten Bahn zu schaffen, mit denen sich
die beim Stand der Technik allgemein auftretenden Probleme reduzieren
lassen.
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Die
charakteristischen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1, die charakteristischen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung
entsprechend im kennzeichnenden Teil von Anspruch 8 dargelegt.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird auf der Oberfläche
der Walze oder dergleichen ein druckempfindliches Sensorelement
angeordnet, das auf den von der bewegten Bahn auf dieses Element ausgeübten Druck
durch Erzeugen eines elektrischen Signals reagiert, wobei die genaue
Position des Bahnrandes auf der Walze auf Grund der von diesem Sensorelement
gelieferten Signale bestimmt werden kann. Bei der zu überwachenden
Bahn kann es sich um eine Bespannungsschlaufe oder eine Materialbahn
einer Papier- oder Kartonmaschine oder um deren Kombination handeln.
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Als
Sensorelement dient bevorzugt ein dünner membran- oder bandartiger
Sensor, dessen Widerstand, Kapazität, Induktivität, Spannung
oder irgendeine optische Größe sich
als Funktion des Druckes oder der Kraft ändert. Ein vorteilhafter Sensorwerkstoff
ist in der
US-Patentschrift 4,654,546 beschrieben.
Es handelt sich dabei um eine dünne, biegsame
elektromechanische Folie, welche sich aus mehreren Polymerschichten
zusammensetzt, die durch Lufthohlräume, die der Folie ihre speziellen
Eigenschaften verleihen, voneinander getrennt sind. Die durch eine
Kraft bewirkte Veränderung
der Dicke der Folie erzeugt in dieser eine zur Kraft proportionale
Spannung. Ständig
elektrisch geladene Kunststofffolie lässt sich herstellen indem man
den Werkstoff bereits beim Herstellungsprozess mit einer elektrischen
Ladung versieht. Die Luftporen im Inneren der Folie machen diese
weich und elastisch, wodurch der Werkstoff eine ausgezeichnete elektromechanische Sensibilität erhält. Dünne, an
die beiden äußeren Flächen der
Folie laminierte Kunststoffelektroden ergänzen die Struktur der elektromechanischen
Folie.
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Elektromechanische
Folie der oben beschriebenen Art wird von der Firma EMFiTECH Ltd hergestellt
und wurde unter dem Warenzeichen EMFiTM bekannt
gemacht. Die elektromechanische Folie funktioniert als Sensor sobald
auf sie ein dynamischer Druck oder eine dynamische Kraft einwirkt, der/die
eine lokale Veränderung
der Foliendicke bewirkt. Da die Polymerschichten eine höhere Steifigkeit
als die Luftporenschichten haben, bewirkt von außen wirkender Druck hauptsächlich eine
Veränderung
der Dicke der Luftporen. Die an den Grenzflächen zwischen den Polymeren
und Luftporen vorhandenen Ladungen bewegen sich relativ zueinander
mit der Folge, dass zwischen den an einander entgegengesetzten Flächen der
Folie befindlichen Elektroden eine Reflexladung entsteht. Das Ladungssignal
ist somit proportional zur Porenstruktur der dielektrischen Folie,
jedoch nicht zur Piezoelektrizität
des Polymerwerkstoffs. Die dielektrische Folie eignet sich wegen
des kapazitiven Prinzips ihres Wirkens nur zum Messen dynamischer
Kräfte.
Die Empfindlichkeit des Sensors lässt sich durch Übereinanderlegen
mehrerer Folien erhöhen.
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Das
aus Folienwerkstoff hergestellte bandförmige Sensorelement kann entweder
direkt an der Walzenoberfläche
oder in die Oberfläche
versenkt, mit einer dünnen
Werkstoffschicht überdeckt,
angeordnet werden. Die für
die Messung erforderliche Elektronik kann entweder in die Folie
selbst integriert sein oder sie kann in einer an der Walzenstirnseite angeordneten
Elektronikeinheit, die über
Leiter an das bandförmige
Sensorelement angeschlossen ist, untergebracht werden. Diese Elektronikeinheit
bereitet die vom Sensorelement kommenden Signale auf. Sie umfasst
auch einen Sender zur drahtlosen Übermittlung der von der Druckmessung
gelieferten Information auf einen in der Nähe der Stirnseite der rotierenden
Walze befindlichen stationären
Empfänger, der
die Messinformation an die Datenverarbeitungseinheit und die Prozesssteuerungsvorrichtung
weiterleitet. Bei einer Ausführungsform
sind zwei Empfänger
vorhanden, die dann so angeordnet werden, dass beim Rotieren der
Walze der eine Empfänger das
Signal des unter Belastung stehenden Messelements und der andere
Empfänger
das Signal bei unbelastetem Element aufnimmt, so dass zur genauen Bestimmung
der Bahnposition auch ständig
der Nullbelastung entsprechende Bezugswert zur Verfügung steht.
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Als
Sensorelement können
außer
elektromechanischer Folie auch andere an sich bekannte Sensorelemente,
die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln vermögen, eingesetzt
werden, wie zum Beispiel Kondensatorband, Widerstandsband, Ultraschallmembransensoren,
parallele Schaltelemente o. dgl. Zum Beispiel in den Schriften
FI 86771 ,
US 5,953,230 und
WO 00/49379 sind Foliensensoren beschrieben,
die sich zum Messen der Nipdruckes oder der Nipbreite eignen.
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Das
Sensorelementband kann entweder aus einem einzigen einheitlichen
Sensor oder aber aus mehreren hintereinander angeordneten separaten Sensorstreifen
bestehen, von denen jeder ein eigenes Messsignal liefert. Besteht
das Sensorelement aus mehreren in einem kleinen gegenseitigen Abstand
aufeinander folgenden Sensorstreifen, so erfolgt das Bestimmen der
Bahnrandposition auf der Walze durch gegenseitiges Vergleichen der
von den aufeinander folgenden Sensorstreifen gelieferten Messsignale.
Dient als Sensorelement ein einheitlicher Sensorstreifen, der auf
der Walzenoberfläche parallel
zur Walzenachse angeordnet ist, so erfolgt das Bestimmen der Bahnrandposition
auf der Walze durch Vergleichen der vom belasteten Sensorelement
gelieferten Signale an den vom unbelasteten Sensorelement gelieferten
Signalen.
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Bei
einer der Ausführungsformen
der Erfindung dient als Sensorelement ein an der Walzenoberfläche spiralig
angeordneter Sensorstreifen. Beim Rotieren der Walze kommt das der
Walzenmitte zunächst
liegende Ende des Sensorstreifens stets zuerst oder zuletzt mit
der Bahn in Berührung.
Die Position des Bahnrandes auf der Walze wird hierbei auf Grund
der Walzendrehgeschwindigkeit, des Steigungswinkels der spiralartig
angeordneten Sensorelements und der vom Sensorelement gelieferten
Signale bestimmt. Die Drehgeschwindigkeit der Walze kann entweder
mit dem gleichen Sensor oder einer anderen an sich bekannten Vorrichtung
gemessen werden.
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Das
erfindungsgemäße Bahnrand-Überwachungssystem,
bei dem der von der Bahn auf den Sensor ausgeübte Druck gemessen wird, ist
sehr betriebssicher. Die Platzierung des Sensorelements ist, da
es sehr wenig Platz beansprucht, kein Problem. Das an der Walzenoberfläche befindliche
oder in diese eingelassene Sensorelement verschmutzt nicht. Die
Vorrichtung weist keine beweglichen Teile auf, verträgt eine
unbegrenzte Zahl von Einzelbelastungen und hat eine lange Lebensdauer.
Das Sensorelement bewirkt keinen Verschleiß an der Bespannung und an
der Walze. Bespannungswerkstoff und -farbe sind ohne Einfluss auf
das Endergebnis der Messung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, auf deren Details die Erfindung jedoch in keiner Weise
eng begrenzt werden soll.
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1 zeigt
eine mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung
ausgestattete Walze flankenseitig betrachtet.
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2 zeigt
die Walze von 1 stirnseitig betrachtet.
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3 zeigt
ein Nahbild eines Teils der Überwachungsvorrichtung.
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4 zeigt
die bei der Überwachungsvorrichtung
einzusetzende Elektronik im Prinzip.
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5 zeigt
eine Überwachungsvorrichtung, bei
der das Sensorelement spiralig an der Walzenoberfläche angeordnet
ist.
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In 1–3 ist
die zum Überwachen
des Seitenrandes einer bewegten Bahn dienende erfindungsgemäße Vorrichtung
in Verbindung mit einer den Lauf der Bespannung 12 lenkenden
Leitwalze 10 gezeigt. Die mit der Vorrichtung zu beobachtende Bahn
kann ein Papiermaschinenlangsieb oder ein Papiermaschinenfilz oder
eine andere Bespannung oder die eigentliche Papier- oder Kartonbahn
oder auch eine Kombination aus Bespannung und Papierbahn sein. Bei
ihrem Lauf über
die rotierende Walze 10 wird die Bespannung 12 mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung
auf ihre Querposition in axialer Richtung der Walze 10 beobachtet. Die
so gewonnene Information wird zur Regulierung des Laufs der Bespannung 12 mit
an sich bekannten Vorrichtungen, die in den Zeichnungen nicht gezeigt sind,
benutzt.
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An
der Oberfläche
der Walze 10 ist ein bandförmiges Sensorelement 14 angeordnet,
das sich in axialer Richtung von der Walzenstirnseite 11 zumindest über einen
Teil der Länge
der Walze 10 erstreckt. In dem Sensorelement 14 wird
als druckempfindlicher Sensor bevorzugt elektromechanische Folie
eingesetzt, die den auf die Folie gerichteten dynamischen Druck
in eine elektrische Größe umzuwandeln
vermag. Eine solche Folie ist unter dem Warenzeichen EMFiTM bekannt geworden. Der Vorteil einer solchen
Folie besteht darin, dass damit auch sehr kleine Drücke gemessen
werden können.
Alternativ können
als Sensor zum Beispiel Kondensatorband, Widerstandsband, parallele
Schaltelemente oder ein Ultraschallmembransensor eingesetzt werden.
Das Sensorelement 14 kann direkt an der Oberfläche der Walze 10 angeordnet
oder in die Oberfläche
der Walze 10 versenkt werden.
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Die
für die
Messung erforderliche Elektronik ist in die an der Stirnseite 11 der
Walze 10 angeordnete Elektronikeinheit 13 eingebaut,
die Mittel zur Aufbereitung des vom Sensorelement 14 kommenden
Messsignals und zur drahtlosen Übermittlung des
so gewonnenen Überwachungssignals
s1 an den in einem kleinen Abstand von der
Walzenstirnseite 11 befindlichen Empfänger 15 enthält. Vom
Empfänger 15 geht
das Überwachungssignal
s1 weiter an das die Position der Bespannung 12 steuernde
Stellglied, das in den Zeichnungen nicht gezeigt ist. Bevorzugt ist
in der Nähe
der Walzenstirnseite 11 noch ein zweiter Empfänger 16 in
einer solche Position vorhanden, dass sich das Sensorelement 14 beim
Passieren dieses zweiten Empfängers
stets in unbelastetem Zustand befindet. Dabei empfängt und übermittelt
dann der Empfänger 16 ein
Nullbelastung entsprechendes Bezugssignal s0.
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In 1 und 2 besteht
das Sensorelement 14 aus einem einzigen einheitlichen parallel
zur Achse der Walze 10 gerichteten Messsensorstreifen. Die
vom Sensorelement 14 gelieferte Messinformation beschreibt
den von der Bespannung 12 auf das Sensorelement 14 ausgeübten Druck,
dessen Größe davon
abhängt,
ein wie großer
Teil der Länge
des Sensorelements 14 beim Aufeinandertreffen von Sensorelement 14 und
Bespannung 12 unter die Bespannung 12 gerät. Ist das
Sensorelement 14 so kalibriert, dass es die Spannung u.
dgl. Faktoren der Bespannung 12 berücksichtigt, so kann die Elektronik
der Messvorrichtung berechnen, ein wie großer Teil der Sensorelement-Länge von
der Bespannung 12 überdeckt
ist.
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Im
in 3 gezeigten Fall besteht das Sensorelement 14 aus
mehreren aufeinander folgenden Sensorstreifen 141, 142, 143..., 14n, die in bestimmten gegenseitigen Abständen über die
Länge des
bandförmigen
Sensorelements verteilt sind. Jeder dieser Sensorstreifen 14i erzeugt ein Messsignal, das namentlich
den am betreffenden Streifen auf das Sensorelement wirkenden Druck
beschreibt. Da sich der Druck am Rand der Bespannung 12 abrupt ändert, lässt sich
die genaue Position dieses Randes auf der Walze 10 durch
gegenseitiges Vergleichen der von den einzelnen Sensorstreifen 14i gelieferten Signale bestimmen.
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Folgend
wird unter Bezugnahme auf 4 das Funktionsprinzip
des Überwachungssystems von 3 beschrieben.
An der Oberfläche
der Walze 10 ist das bandförmige Sensorelement 14 angeordnet,
das eine Anzahl aus elektromechanischer Folie hergestellter Sensorstreifen 14i umfasst, von denen in der Zeichnung nur
die ersten drei 141, 142, 143 dargestellt
sind. Die metallisierte Ober- und Unterseite des einzelnen Sensorstreifens 14i sind über je einen dünnen Leiter 30 an
die Elektronikeinheit 13 an der Walzenstirnseite 11 angeschlossen.
Die Sensorstreifen 141...143 reagieren auf den auf sie einwirkenden mechanischen
Druck durch Erzeugung eines Spannungssignals. Diese Spannungssignale
werden durch die Leiter 30 über die Vorverstärker 181...183 in den
Multiplexer 19 geleitet, der über die Synchronisierschaltung 23 synchronisiert
wird. Das multiplexierte Signal wird weiter über den Verstärker 20 in den
Sender 21 geleitet, der das Signal s1 drahtlos
an den von der rotierenden Walze 10 getrennt angeordneten
stationären
Empfänger 15 übermittelt.
Vom Empfänger 15 wird
das Signal s1 weiter dem Datenverarbeitungssystem 24 und
von dort der Prozesssteuerung zugeleitet.
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Die
Leistungsübertragung
von außerhalb
der Walze 10 auf die zusammen mit dieser Walze rotierende
Elektronikeinheit 13 erfolgt drahtlos vom Sender 27 der
Leistungsübertragungseinheit 26 zum Empfänger 28 des
Spannungsregulators 29 und von da weiter über Kabel
zu den Vorverstärkern 18i, über die
Synchronisierschaltung 23 zum Multiplexer 19, zum
Verstärker 20 und
zum Sender 21.
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5 zeigt
eine alternative Methode zur Verwirklichung der Randpositionsüberwachung
der Bespannung 12unter Einsatz eines oder mehrerer Sensorelemente 14,
das/die an der Oberfläche
der von der Bespannung 12 umschlungenen Walze 10 so
spiralig angeordnet ist/sind, dass sich das innere Ende 14a des
Sensorelements 14 bis in die Nähe der Mitte der Walze 10 und
das äußere Ende 14b des
Sensorelements 14 bis zur Walzenstirnseite 11 erstreckt.
Alternativ kann sich die Spirale auch über die gesamte Länge der
Walze 10 erstrecken. Beim Rotieren der Walze 10 in
Pfeilrichtung gelangt zuerst das nahe der Walzenmittellinie befindliche
Ende 14a des Sensorelements mit der Bespannung 12 in
Berührung.
Je nachdem ein wie großer
Teil des Sensorelements 14 von der Bespannung 12 überdeckt
ist erhält
man als Ergebnis der Druckmessung entweder eine als Funktion der
Zeit wachsende Spannung oder einen der Rotation der Walze 10 folgenden
Konstantspannungsimpuls. Das zur Walzenmittellinie hin liegende Ende 14a des
Sensorelements liefert einen Druckimpuls in dem Moment, in dem es
in den von Bespannung 12 und Walze 10 gebildeten
Nip gerät.
Die den vom Sensorelement 14 gelieferten Druckimpuls charakterisierende
Spannung bricht in dem Moment ab, in dem der bei der Walzenstirnseite 11 befindliche
Teil des spiraligen Sensorelementbandes 14 unter dem Rand
der Bespannung 12 hervorkommt. Die Drehgeschwindigkeit
der Walze 10 wird mit einer an der Walzenstirnseite 11 befindlichen
Vorrichtung 31, zum Beispiel einem Impulsfühler, gemessen.
Alternativ kann die Drehgeschwindigkeit der Walze mit dem Sensorelement 14 gemessen
werden. Die mit dieser Messung verbundene Elektronik kann entweder
in der an der Walzenstirnseite 11 angeordneten Elektronikeinheit 13 untergebracht
oder in die Sensorelementfolie 14 selbst integriert werden.
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Zur
Bestimmung der Position des Randes der Bespannung 12 sind
in dem in 5 gezeigten Fall die Größe und Dauer
des Spannungsimpulses, die der spiralige Sensor 14 liefert,
die Drehgeschwindigkeit der Walze, die der Messsensor 31 liefert,
und der Steigungswinkel der Spirale 14, d. h. deren während eines
bestimmten Drehungswinkels der Walze 10 zurückgelegte
Weg, erforderlich. Der letztgenannte Wert ist konstant.
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Da
die zur Überwachung
des Bahnrandes einzusetzende Sensorlösung preisgünstig ist, können an
der Walze, wie in 5 gezeigt, mehrere Sensorelemente 14 angebracht
werden. Dies erhöht die
Zuverlässigkeit
des Systems und bietet die Möglichkeit
eines gegenseitigen Vergleichs der Sensoren oder eines automatischen
Sensorwechsels in Problemsituationen.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist
ihre außerordentlich
einfache und sehr billige Elektronik, weil ja bei ihr ein einfacher
Messsensor eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung ist betriebssicher
und vermag bei Bedarf auch extrem kleine Kräfte zu messen. Sie verschmutzt
nicht und verträgt eine
unbegrenzte Zahl von Belastungen.
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Bei
den oben beschriebenen Lösungen
ist das Sensorelement an der Walze angeordnet; es kann aber gemäß der Erfindung
auch an irgendeinem anderen mit der bewegten Bahn in Berührung stehenden
Element der Papier- oder Kartonmaschine angeordnet werden.
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Die
verschiedenen Details der Erfindung können im Rahmen des in den folgenden
Patentansprüchen
definierten Erfindungsgedankens modifiziert werden und von den oben
lediglich als Beispiel angeführten
Details abweichen.
