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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Online-Messung
von Eigenschaften von Materialbahnen, während sie hergestellt werden
und, genauer gesagt, auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Online-Messung
der Faserausrichtung und Anisotropie von nicht-gewobenen Materialbahnen,
während
sie herstellt werden. Während
die vorliegende Erfindung generell auf die Messung einer Vielfalt
von nicht-gewobenen Materialbahnen anwendbar ist, wird sie hier
unter Bezug auf die Herstellung von Papierbahnen beschrieben, für welche
sie insbesondere anwendbar und zunächst angewandt worden ist.
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Die
Qualitätserfordernisse
für fertige
Papierprodukte steigen immer weiter an, da die Ausrüstung bzw.
Maschinen, welche derartige Produkte handhaben, technisch immer
fortgeschrittener werden. Beispielsweise haben moderne Druckpressen
und Kopiermaschinen beträchtlich
gesteigerte Arbeitsgeschwindigkeiten. Gleichzeitig fordern die Personen, welche
diese Ausrüstung
verwenden, daß sie
im wesentlichen fehlerfrei, ohne Zerreißen von Papier, Papierstaus,
falsches Einfädeln
oder dergleichen arbeiten. Zusätzlich
zu der höheren
Arbeitsgeschwindigkeit ist die Möglichkeit
für Fehler
weiter gesteigert aufgrund des intensiven und schnellen Aufheizens und
Trocknens von Papier, beispielsweise in modernen Kopiermaschinen
und Laserdruckern.
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Ein
Merkmal einer Papierbahn, welches einen großen Einfluß auf die Handhabungseigenschaften
des aus der Bahn hergestellten Papieres hat, ist die Ausrichtung
von Fasern der Bahn. Eine starke Ausrichtung in Längsrichtung
der Maschine, welche gegenüber
der Querrichtung der Maschine dominiert, macht die Bahn stärker in
Längsrichtung,
jedoch schwächer
in Querrichtung oder seitlicher Richtung. Eine Faserausrichtung,
die einen gewissen von Null verschiedenen Dominanzwinkel relativ
zu der (Längs-)Richtung
der Maschine hat, tritt üblicherweise
aufgrund eines Strömungsmusters
am nassen Ende der Papierherstellungsmaschine auf. Eine solche von
Null abweichende Faserausrichtung bewirkt sehr oft, daß Papier
ein diagonales Einrollen, Verdrillen und dergleichen zeigt. Noch
problematischer ist es, wenn Unterschiede in der Faserausrichtung
zwischen der oberen Fläche
und der unteren Fläche
einer Bahn eine starke Verziehungskraft bewirken, die dazu führen, daß Papierbögen sich
aufrollen, sobald sich die Feuchtigkeit verändert. Das Aufrollen, sich Verdrillen
und andere Verformungen aufgrund einer schlechten Faserausrichtung
führt zu
Problemen bei der Handhabung des Papiers, so daß das Papier unannehmbar ist.
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Die
Faserausrichtung ist im Stand der Technik auch schon gemessen worden.
Faserausrichtungsmessungen werden üblicherweise an fertigen Papierprodukten
durchgeführt
und können
nur verwendet werden, um Papierherstellungsmaschinen künftig einzustellen.
Derartige Messungen führen
zur Herstellung von beträchtlichen
Mengen an Papierbahnen, die möglicherweise
unannehmbar sind, und sie ermöglichen
keine Steuerung der Papierherstellungsmaschine während der Produktion, um so
die Faserausrichtung zu steuern. Während schon einige Meßverfahren
der Faserausrichtung für
Online-Sensoren für
die Messung von einer oder beiden Seiten einer Papierbahn entwickelt
worden sind, siehe z. B. Patent
US 5.394.247 A und die veröffentlichte europäische Patentanmeldung
EP 0 612 977 A2 ,
sind der Anmelderin keinerlei kommerziell erfolgreiche Online-Sensoren
bekannt, die derzeit in Betrieb sind.
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Aus
dem Stand der Technik sind auch Messanordnungen und Messverfahren
zum Bestimmen der Oberflächenrauheit
von Objekten bekannt. So offenbart das Patent
US 4,364,663 A beispielsweise ein
kompaktes Messgerät,
welches spiegelnd und diffus reflektiertes Licht von der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes
auswertet. Als vorteilhaft bezeichnet die Patentschrift, dass die
Untersuchungsmethode unabhängig
von der Orientierung der Oberflächenkörnung und
von der Reflektivität
der Oberfläche
ist. Da die Messung unabhängig
vom Orientierungswinkel der Oberflächenkörnung ist, ist dieses Verfahren
nicht geeignet, die Faserausrichtung in einem nicht-gewobenen Bahnmaterial
zu bestimmen.
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Ein
Gerät zur
Charakterisierung von Maserungsdefekten mittels Reflexion ist Gegenstand
der Patentschrift
US
5,252,836 A . Ausgewertet wird hierbei das Verhältnis zwischen
diffus und spiegelnd reflektiertem Licht, welches von einer Lichtquelle
auf eine Holzoberfläche
gerichtet wird. Die Anordnung weist hierzu eine Lichtquelle sowie
je einen Detektor für
das spiegelnd reflektierte und einen Detektor für das diffus reflektierte Licht
auf. Die Detektoren sind dabei entlang des Einfalls- bzw. des Ausfallwinkels der
Lichtquelle angeordnet. Sind die gemessenen Intensitäten des
Detektors für
das spiegelnd reflektierte Licht und des Detektors für das diffus
reflektierte Licht annähernd
gleich, so liegt ein Maserungsdefekt vor. Das vorgenannte Verfahren
ist demnach lediglich dafür
geeignet, die Frage zu beantworten, ob ein Maserungsdefekt vorliegt,
eine Aussage über
die Faserausrichtung zu treffen ist mit dem Verfahren jedoch nicht
möglich.
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Papierherstellungsmaschinen
und Systeme für
die Steuerung von Papierherstellungsmaschinen haben bei dem Versuch
einer besseren Überwachung
und Steuerung verschiedener Eigenschaften von Papierbahnen beträchtliche
Verbesserungen erfahren, um dadurch zunehmend konsistente bzw. gleichbleibende,
fertige Papierprodukte von immer höherer Qualität herzustellen.
Diese modernen Maschinen stellen die Fähigkeit bereit, die Qualität der gerade
hergestellten Papierbahn einschließlich der Faserausrichtung
in der Bahn dynamisch zu steuern. Unglücklicherweise fehlt doch bisher
eine Online-Messung der Faserausrichtung und ihrer Steuerung.
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Es
besteht also das Bedürfnis
nach einer wirtschaftlichen, genauen Online-Messung für die Faserausrichtung
in Maschinen, die nicht-gewobene Bahnmaterialien herstellen, wie
z. B. eine Papierherstellungsmaschine. Vorzugsweise sollte eine
solche Online-Messung sowohl die Faserausrichtung der Bahn als auch
die Faseranisotropie messen. Zusätzlich
würde die
Online-Messung das
Messen der Faserausrichtung sowohl für die Oberseite der Bahn als auch
für die
Unterseite der Bahn erlauben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dieses
Erfordernis wird erfüllt
durch die Erfindung gemäß der vorliegenden
Anmeldung, wobei ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Erzeugen von
Signalen bereitgestellt werden, die repräsentativ für die Faserausrichtung in einer
nicht-gewobenen Materialbahn sind, und, genauer gesagt, für die Online-Messung
der Faserausrichtung und Anisotropie in einem nicht-gewobenen Bahnmaterial,
während
die Bahn hergestellt wird. Währen
Messungen unter Verwendung einer einzelnen Lichtquelle gemacht werden
können,
richtet erfindungsgemäß ein optischer Scanner
zumindest drei Lichtquellen auf einen Abtast- bzw. Erfassungsbereich
einer Materialbahn, die überwacht
wird. Licht von jeder Lichtquelle, welches durch Reflexion von dem
Erfassungsbereich gestreut wird, wird von einem Paar von Lichtsensoren
erfaßt, die
auf jeder Seite der Einfallebene angeordnet sind, welche den einfallenden
Lichtstrahl enthält.
Licht von jeder Lichtquelle, welches zurückgestreut wird, wird ebenfalls
durch zumindest einen Lichtsensor erfaßt, der im allgemeinen oberhalb
des Abtast- bzw. Erfassungsbereiches angeordnet ist. Vorzugsweise
werden zwei Sensoren für
zurückgestreutes
Licht für jede
Lichtquelle bereitgestellt, wobei ein Lichtsensor allen Lichtquellen
gemeinsam ist und je ein Lichtsensor jeder der Lichtquellen zugeordnet
ist. Die Signale von den Lichtsensoren für jede der Lichtquellen werden
miteinander kombiniert, um daraus resultierende Faserausrichtsignale
zu erzeugen, die verwendet werden, um einen Faser ausrichtungswinkel
relativ zu der Maschinenrichtung sowie eine Anisotropieeigenschaft
für die
Bahn zu berechnen.
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Die
mehrfachen Lichtquellen werden moduliert und die Signale von den
Lichtsensoren werden synchron demoduliert, so daß das Licht, welches gleichzeitig
auf den Abtastbereich auftrifft, elektrisch aufgespalten wird, so
daß es
optischen Pfaden entspricht, welche durch die Lichtquellen definiert
werden. Das entstehende Signal definiert Punkte auf einer im allgemeinen
elliptischen, polaren Verteilungsfunktion einer resultierenden Faserausrichtungskurve.
Die Kurve wird angenähert
durch eine Gleichung, wobei die gemessenen Punkte in die Gleichung
eingesetzt werden, um einen Satz von Gleichungen zu bilden, beispielsweise
drei Gleichungen mit drei Unbekannten, die dann gelöst wird,
um die Faserausrichtung und Anisotropie der gemessenen Bahn zu bestimmen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren für die Online-Messung der
Faserausrichtung in einem nicht-gewobenem Bahnmaterial, welches
in einer Maschinenrichtung läuft,
die Schritte auf: Richten von Licht aus zumindest drei Lichtquellen
auf einen Abtastbereich der Materialbahn, wobei die Lichtquellen
relativ zueinander unter verschiedenen Winkeln angeordnet und in einer
entsprechenden Anzahl von Einfallebenen angeordnet sind, die in
etwa senkrecht zu der Materialbahn ausgerichtet sind, und sich in
dem Abtastbereich schneiden, um Licht in Richtung des Abtastbereiches
unter spitzen Einfallwinkeln relativ zu der Materialbahn entlang
der jeweiligen Achsen innerhalb der Einfallebenen zu richten, Erfassen
von Licht, welches unter Reflexion von dem Abtastbereich gestreut wird,
an Stellen, die näherungsweise
jeder der Lichtquellen diametral gegenüberliegen, jedoch beiderseits
der Einfallebenen, Erzeugen von Reflexionssignalen aus dem erfaßten, unter
Reflexion gestreuten Licht, Erfassen des Lichtes, welches aus dem
Abtastbereich an Stellen zurückgestreut
wird, die jeder der Lichtquellen zugeordnet sind, wobei die Erfassungorte
des zurückgestreuten
Lichtes in etwa innerhalb der Einfallebenen liegen und oberhalb
des Abtastbereiches angeordnet sind, Erzeugen von Rückstreusignalen
aus dem erfaßten,
zurückgestreuten
Licht, Kombinieren der Reflexionssignale und der Rückstreusignale
für jede
der Lichtquellen, um daraus resultierende Faserausrichtungssignale
zu erzeugen, und Berechnen eines Faserausrichtungswinkels relativ
zu der Maschinenrichtung aus den resultierenden Faserausrichtsignalen.
Vorzugsweise wird das unter Reflexion gestreute Licht unter Verwendung
von Polarisationsfiltern gefiltert, bevor der Schritt des Erfassens
des unter Reflexion gestreuten Lichtes, welches aus dem Abfüllbereich
empfangen wird, durchgeführt wird.
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Das
Verfahren kann weiterhin den Schritt aufweisen, daß die zumindest
drei Lichtquellen moduliert werden, wobei der Schritt des Erzeugens
von Reflektivitätssignalen
den Schritt aufweist, daß das erfaßte, unter
Reflexion gestreute Licht demoduliert wird, und den Schritt, daß Rückstreusignale
erzeugt werden, was den Schritt einschließt, daß das erfaßte rückgestreute Licht demoduliert
wird. Das Verfahren kann weiterhin den Schritt aufweisen, daß eine Anisotropieeigenschaft
für das
Bahnmaterial aus den sich ergebenden Faserausrichtsignalen berechnet wird.
Das Verfahren kann weiterhin den Schritt aufweisen, die Lichtquellen
voneinander unter Winkelabständen
anzuordnen, die näherungsweise
einem Winkel von 360°,
geteilt durch die Anzahl der Lichtquellen, entsprechen.
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Vorzugsweise
weist der Schritt des Erfassens des unter Reflexion von dem Abtastbereich
zurückgestreuten
Lichtes die Schritte auf: Erfassen von Licht unter einer ausgewählten Anzahl
von (Winkel-)Graden links von jeder Einfallebene und in etwa diametral
gegenüberliegend
jeder der Lichtquellen, und Erfassen von Licht unter einer ausgewählten Anzahl
von Graden rechts von der Einfallebene und in etwa diametral gegenüberliegend
an jeder der Lichtquellen. Für
diese Ausführungsform
weist der Schritt des Erzeugens von Reflektivitätssignalen aus dem erfaßten, unter
Reflexion gestreuten Licht die Schritte auf: Erzeugen eines ersten
Reflektivitätssignales aus
dem unter Reflexion gestreuten Licht, welches unter einer ausgewählten Anzahl
von Graden links von jeder Einfallebene und in etwa diametral gegenüberliegend
von jeder der Lichtquellen erfaßt
wird, und Erzeugen eines zweiten Reflektivitätssignals von unter Reflexion
gestreutem Licht, welches unter einer ausgewählten Anzahl von Graden rechts
von der Einfallebene und in etwa diametral gegenüberliegend von jeder der Lichtquellen
erfaßt
wird.
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Weiterhin
wird bei dieser Ausführungsform der
Schritt des Erfassens von aus dem Abtastbereich unter Reflexion
gestreuten Licht unter spitzen Reflexionswinkeln durchgeführt, die
im wesentlichen dieselben sind, oder etwas geringer sind als die
spitzen Einfallwinkel relativ zu der Materialbahn. Zusätzlich weist
der Schritt des Erfassens von aus dem Abtastbereich zu Orten zurückgestreutem
Licht, welche jeder der Lichtquellen zugeordnet sind, die Schritte
auf: Erfassen von Licht im wesentlichen direkt oberhalb des Abtastbereiches,
und Erfassen von Licht oberhalb des Abtastbereiches und unter einer
ausgewählten
Anzahl von Graden in Richtung jeder der Lichtquellen in etwa innerhalb
der Einfallebenen. Für
die Zwecke der Verarbeitung weist der Schritt des Erzeugens von
Rückstreusignalen
aus dem erfaßten,
rückgestreuten
Licht vorzugsweise die Schritte auf: Erzeugen eines ersten Rückstreusignales
von zurückgestreutem
Licht, welches direkt oberhalb des Abtastbereiches erfaßt wird,
und Erzeugen eines zweiten Rückstreusignales
von zurückgestreutem
Licht, welches oberhalb des Abtastbereiches und unter einer ausgewählten Gradzahl
in Richtung jeder der Lichtquellen in etwa innerhalb der Einfallebenen
erfaßt
wird.
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Der
Schritt des Kombinierens der Reflektivitätssignale und der Rückstreusignale
für jede
der Lichtquellen, um daraus resultierende Faserausrichtsignale zu
erzeugen, kann die Schritte aufweisen: Multiplizieren der ersten
und zweiten Reflektivitätssignale
miteinander, Multiplizieren der ersten und zweiten Rückstreusignale
miteinander und Dividieren des Produktes der ersten und zweiten
Reflektivitätssignale
durch das Produkt der ersten und zweiten Rückstreusignale. Weiterhin können die
Schritte des Berechnens eines Faserausrichtwinkels relativ zu der Maschinenrichtung aus
den resultierenden Faserausrichtsignalen und das Berechnen einer
Anisotropieeigenschaft für
das Bahnmaterial den Schritt aufweisen: Lösen der Gleichung R(α + cos)2(α – θ))) für θ und α wobei R(α) eine polare
Verteilungsfunktion der resultierenden Faserausrichtsignale ist, α ein polarer
Koordinatenwinkel ist und K eine Größenskalierungskonstante ist,
wobei θ der
Verkippungswinkel einer Hauptorientierungsachse der polaren Verteilungsfunktion
R(α) ist,
welche den Faserausrichtwinkel wiedergibt, und α eine elliptische Größenkonstante
ist, die die Anisotropie der Bahn wiedergibt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein optischer Scanner
für die Bestimmung
von Eigenschaften einer Bahn aus einem nicht-gewobenem Material
zumindest drei Lichtquellen auf, die so angeordnet sind, daß sie Licht
auf einen Abtast- bzw. Abtastbereich der Materialbahn unter einem
spitzen Winkel relativ zu der Materialbahn richten. Die Lichtquellen
sind voneinander und um den Abtastbereich herum beabstandet und
strahlen das Licht entlang ihrer jeweiligen Achsen ab. Paare von
Sensoren für
unter Reflexion gestreutes Licht, deren Anzahl der Anzahl der Lichtquellen
entspricht, sind vorgesehen, wobei jedes Paar von Lichtsensoren
auf je einer Seite einer Einfallebene und im Abstand zu dieser angeordnet
ist, welche senkrecht zu der Bahn verläuft und eine Achse enthält, entlang welcher
das Licht von jeder der Lichtquellen auf den Abtastbereich gerichtet
wird. Die Paare von Lichtsensoren erzeugen erste erfaßte Lichtsignale
unter Ansprechen auf das empfangene, unter Reflexion gestreute Licht,
und zumindest ein Sensor für
zurückgestreutes
Licht, welcher oberhalb des Abtastbereiches der Bahn angeordnet
ist, erzeugt zweite Signale von erfaßtem Licht unter Ansprechen
auf das empfangene, zurückgestreute
Licht. Vorzugsweise weist der optische Scanner weiterhin Polarisationslichtfilter auf,
die den Paaren von Sensoren für
unter Reflexion gestreutes Licht zugeordnet sind, um das unter Reflexion
von dem Abtastbereich gestreute Licht zu filtern.
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Für Zwecke
der Signalverarbeitung kann der Scanner weiterhin einen Modulatorschaltkreis
zur Erzeugung von Modulationssignalen für die Lichtquellen aufweisen.
Synchrone Detektorschaltkreise sind an die Paare von Sensoren für unter
Reflexion gestreutes Licht und den Sensor für zurückgestreutes Licht angeschlossen
und werden von den Modulationssignalen getrieben, um die den Lichtquellen
entsprechenden Quellsignale aus den ersten und zweiten erfaßten Lichtsignnalen
zu extrahieren bzw. abzutrennen. Der Modulatorschaltkreis kann eine
Uhr bzw. einen Zeitgeber für
die Erzeugung eines ersten Signales aufweisen, welches eine im wesentlichen feste
Frequenz hat, einen ersten Teilerschaltkreis aufweisen, um das erste
Signal durch 2 zu teilen, um ein zweites Signal zu erzeugen, welches
eine Frequenz von im wesentlichen der Hälfte der Frequenz des ersten
Signales hat, und einen zweiten Teilerschaltkreis aufweisen, um
das zweite Signal durch 2 zu teilen, um ein drittes Signal zu erzeugen,
welches eine Frequenz von im wesentlichen der Hälfte der Frequenz des zweiten
Signales hat. Die ersten, zweiten und dritten Signale dienen dann
als die Modulationssignale. In einer praktisch arbeitenden Ausführungsform
der Erfindung beträgt
die erste Frequenz näherungsweise
40 kH, die zweite Frequenz etwa 20 kH und die dritte Frequenz etwa
10 kH.
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Der
optische Scanner kann weiterhin Tiefpaßfilter aufweisen, um die Quellsignale
in Reflektivitätssignale
umzuwandeln, welche dem erfaßten,
unter Reflexion gestreuten Licht entsprechen, und Rückstreusignale,
welche dem erfaßten
rückgestreuten
Licht entsprechen. In einer praktisch arbeitenden bzw. verwirklichten
Ausführungsform
der Erfindung lassen die Tiefpaßfilter
Frequenzen gleich und unterhalb von etwa 1 kHz hindurch.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Signalen bereitzustellen, die
die Faserausrichtung einer Materialbahn wiedergeben, unter Verwendung
von unter Reflexion gestreutem Licht, welches auf je einer Seite
einer Einfallebene erfaßt
wird, die eine Lichtquelle einschließt, welche unter einem spitzen
Winkel relativ zu der Bahn ausgerichtet ist, ein verbessertes Verfahren und
eine Vorrichtung zum Messen der Faserausrichtung einer Materialbahn
bereitzustellen, während
die Bahn hergestellt wird, d. h. Online bzw. im Arbeitsbetrieb unter
Verwendung von unter Reflexion gestreutem Licht und zurückgestreutem
Licht, und ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen
der Faserausrichtung einer Materialbahn bereitzustellen, die arbeiten,
während
die Bahn herstellt wird, indem zumindest drei Lichtquellen auf die
Bahn gerichtet werden, das unter Refelxion gestreute und zurückgestreute
Licht gemessen und die resultierenden Signale kombiniert werden,
um die Faserausrichtung und Anisotropie der Bahn zu bestimmen.
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Andere
Ziele und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich anhand der
folgenden Beschreibung, der zugehörigen Zeichnungen und der anhängenden
Ansprüche.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht, welche von einer linierten
Fläche
unter Reflexion gestreutes Licht veranschaulicht,
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2 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht, in welcher von einer
linierten Fläche
zurückgestreutes
Licht veranschaulicht wird,
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3 ist
eine elliptische oder halbelliptische polare Verhältnisverteilung
eines resultierenden Faserausrichtungssignales,
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4 ist
eine idealisierte Darstellung von unter Reflexion gestreuten Signalen
und zurückgestreuten
Signalen anhand einer Analyse eines Abschnittes aus einer nicht-gewobenen Materialbahn,
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5 ist
eine schematische Ansicht von unten auf einen optischen Scanner
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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6 ist
eine schematische Schnittansicht des optischen Scanners nach Figur
mit einem Schnitt entlang der Schnittlinie 6-6 in 5,
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7–10 veranschaulichen
schematisch eine Lichtquelle und die zugehörigen Lichtsensoren für die Erfassung
ihrer Beleuchtung bzw. Ausleuchtung von einem Abtastbereich von
einer Bahn aus nicht-gewobenem Material, und
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11 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Signalverarbeitungssystems
für die Umsetzung
bzw. Funktionsweise der Erfindung gemäß der vorliegenden Annmeldung.
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Genaue Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung der vorliegenden Anmeldung wird jetzt unter Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben. Zur Verdeutlichung der vorliegenden
Erfindung wird zunächst
ihre Entwicklung beschrieben. In einem anfänglichen Schritt hat die Anmelderin
Glanz- bzw. Glättemessungen
in Maschinenrichtung (MD) und quer zur Maschinenrichtung (CD) durchgeführt. Die
Glanz- bzw. Glättemessungen
erfolgten unter Reflexion oder spiegelnd und ergaben sehr kleine Unterschiede
zwischen den MD-Messungen und den CD-Messungen, mit Unterschieden
in der Größenordnung
von wenigen Prozent. Ein zusätzliches
Problem bei der Verwendung von Glanzmessungen wurde dahingehend
festgestellt, daß das
Kalandrieren bzw. Satinieren der Papierbahn während ihrer Herstellung die
Testergebnisse ändern
würde.
Eine direkte (gerade) Reflexionsmessung einer Papierbahn war also
für die
Messung der Faserausrichtung ineffektiv bzw. ungeeignet.
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Nach
diesen anfänglichen
Tests begann die Anmelderin zu untersuchen, wie die Unempfindlichkeiten
und Fluktuationen beseitigt werden konnten, welche aus der Verwendung
von Glanzmessungen für
die Erfassung der Faserausrichtung resultierten. Licht, welches
auf eine linierte Fläche
fiel, beipsielsweise eine Metalloberfläche mit fein gezeichneten (gekörnten),
parallelen Nuten, die durch Sandstrahlen, Schleifen, Fräsen oder
dergleichen hergestellt wurden, wurde untersucht, was zu der Beobachtung führte, daß Licht
von einer Quelle 102, welches auf eine linierte Oberfläche 104 und
parallel zu den Linien der linierten Fläche 104 auftraf, eine
Reflexionsstreuung des Lichtes mit einer konusförmigen Lichtverteilung 106 erzeugt,
wie in 1 dargestellt. Das unter Reflexion gestreute Licht
innerhalb der konusförmigen
Lichtverteilung 106 kann außerhalb der Achse, d. h. außerhalb
der Achse der Lichtquelle 102, auf jeder Seite der Einfallebene 108 der
Lichtquelle 102gemessen werden, z. B. durch Lichtdetektoren 110, 112,
so daß Veränderungen
in der Spiegelung der linierten Oberfläche 104 die Größe bzw.
das Maß des
unter Reflexion gestreuten Lichtes nicht wesentlich beeinflussen.
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Wenn
Licht von der Quelle 102 im wesentlichen senkrecht zu den
Linien der linierten Fläche 104 gerichtet
wird, so wird eine Rückstreuung
des Lichtes mit einer Lichtverteilung 114 im wesentlichen
in der Einfallebene 108 der Lichtquelle 102 erzeugt.
Zurückgestreutes
Licht in der Lichtverteilung 114 kann an einer Stelle im
wesentlichen oberhalb eines beleuchteten oder Abtastbereiches 116 der
linierten Fläche 104 gemessen
werden, z. B. durch zumindest einen Lichtdetektor 118.
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Um
Störungen
erster Ordnung zu unterdrücken,
wollte die Anmelderin den Faserausrichtsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung auf radiometrische Weise betreiben. Dementsprechend wurde
das Verhältnis
der Signale von reflektiv gestreutem Licht zu den Signalen von zurückgestreutem
Licht für
die Erfassung der Faserausrichtung ausgewählt. Wenn man das Verhältnis dieser
beiden Signale hernimmt, so erzeugt dieses eine viel größere Unterscheidung der
Faserausrichtung als die Verwendung nur eines Signales in Anbetracht
der Eigenschaften dieser Signale, d. h. die Signale des unter Reflexion
gestreuten Lichtes sind maximal, wenn die Signale des zurückgestreuten
Lichts minimal sind (für
eine Probe mit einer Faserausrichtung entlang des Meßweges),
und die Signale des unter Reflexion gestreuten Lichtes sind minimal,
wenn die Signale des zurückgestreuten Lichtes
maximal sind (für
eine Probe mit einer Faserausrichtung, die im wesentlichen senkrecht
zu dem Meßweg
verläuft),
siehe 4. Die radiometrische Verarbeitung liefert auch
eine Gleichtaktunterdrückung
von unerwünschten
Effekten der Bahn- und Bogenhelligkeit, der Intensität der Quelle
und dergleichen.
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Anfänglich wurde
eine Laborauswertung durchgeführt
mit einer Papierprobe, die in einer Art und Weise ähnlich dem
Stand der Technik für
Erfassungsanordnungen der Faserausrichtung Offline gedreht wurde.
Ablesungen wurden alle 15° bei
einer vollen 360°-Drehung
vorgenommen und führten
zu einer ausgeprägten
und ausrichtungsabhängigen,
elliptischen oder halbelliptischen, polaren Verhältnisverteilung wie in 3 dargestellt.
Die besten Ergebnisse wurden erzielt unter Verwendung eines 780 nm-IR-Lasers
als Lichtquelle 102, der parallel zur Papieroberfläche polarisiert
war, wobei Polarisationsfilter mit einer Polarisationsebene, die
ebenfalls parallel zu der Papieroberfläche war, vor jedem der Lichtdetektoren 110, 112 für unter
Reflexion gestreutes Licht angeordnet waren.
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Eine
Betrachtung der 1 und 2 zeigt, daß das Muster
des gestreuten Lichtes von dem konischen Lichtmuster gemäß der konusförmigen Lichtverteilung 106,
wenn die Faserausrichtung parallel zur Einfallebene 108 ist,
sich zu einem vertikalen Band gemäß der Lichtverteilung 114 ändert, wenn
die Faserausrichtung gedreht oder verschoben wird, so daß sie senkrecht
zu der Einfallebene 108 verläuft. Wie es im wesentlichen
in den 1 und 2 dargestellt ist, sind zwei
Lichtdetektoren 110, 112 für das Erfassen des unter Reflexion
gestreuten Lichtes vorgesehen und ein Lichtdetektor 118 ist
vorgesehen, um zurückgestreutes
Licht zu erfassen. Um jedoch eine Symmetrie bei der Signalverarbeitung
und eine weitergesteigerte Empfindlichkeit bereitzustellen, kann
ein zweiter Rückstreudetektor 120 hinzugefügt werden,
wie es gestrichtelt in den 1 und 2 dargestellt
ist.
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Die
Signale von den Lichtdetektoren 110, 112, welche
das unter Reflexion gestreute Licht von der Lichtquelle 102 überwachen,
und der Lichtdetektoren 118, 120, welche das von
der Lichtquelle 102 zurückgestreute
Licht überwachen,
werden so verarbeitet, daß sie
ein Faserausrichtungssignal R ergeben. Das resultierende Faserausrichtsignal
R wird berechnet unter Verwendung der Gleichung: R = (R1 × R2)/(BS1 × BS2) (1) wobei R1
und R2 die Reflektivitätssignale
sind, die von den Lichtdetektoren 110, 112 erzeugt
werden, und BS1 und BS2 die Rückstreusignale
sind, die von den Lichtdetektoren 118, 120 erzeugt
werden. Idealisierte Kurvenverläufe
der Signale R1, R2, BS1, BS2, die sich aus der oben erwähnten Laborauswertung ergeben
haben, sind in 4 dargestellt. Es versteht sich,
daß die
Kuren in 4 prinzipiell die Signalveränderungen
zeigen, welche während
der Drehung eines Bogens in Laborexperimenten beobachtet wurden.
Die Grafiken sind jedoch nicht die Rohdaten, sondern sind überarbeitet
worden, um Rauschen und Unregelmäßigkeiten
zu beseitigen, um ein besseres Verständnis der Signalerzeugung für die vorliegende Erfindung
bereitzustellen.
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Unter
Fortsetzung der Skizzierung der vorhergehenden Entwicklung, werden
jetzt das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung der vorliegenden
Anmeldung für
die Online-Bestimmung der Faserausrichtung und Anisotropie einer
nicht-gewebten Bahn, wie z. B. einer Papierbahn, beschrieben. Wie
zuvor bereits erwähnt,
ergibt sich, wenn ein Papiersensor und die Lichtquelle/die Lichterfassungsvorrichtung
gemäß den 1 und 2 relativ
zueinander gedreht werden und Ablesungen für eine vollständige 360°-Drehung
vorgenommen werden, eine ausrichtungs-abhängige,
elliptische oder halbelliptische, polare Verhältnisverteilung wie in 3 dargestellt.
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Eine
Ellipsengleichung ist eine Annäherung, die
nur für
kleine Abweichungen von einer Kreisform gültig ist. Es gibt viele bekannte
Verfahren, um ovale Formen mathematisch zu beschreiben, einschließlich mehrfacher
trigonometrischer Therme und Korrekturfaktoren für asymmetrische Formen. Die
Auswahl eines geeigneten mathematischen Modells für die Verwendung
bei einem Online-Sensor muß hinreichend
einfach sein, um eine Realzeitverarbeitung zu ermöglichen,
und denoch genau genug in den typischen Bereichen von Papierprodukten.
Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung hat experimentelle Daten
an verschiedene mögliche
Gleichungen angepaßt
und sich für
ein akzeptabel gutes und einfaches Modell entschieden, welches in
der Literatur wohlbekannt ist und geschrieben werden kann als: R(α)
= K/(a + cos(2(α – θ))) (2) wobei R(α) die polare
Verteilungsfunktion des resultierenden Faserausrichtungsignales
ist, α der
polare Koordinatenwinkel ist, θ der
Verkippungswinkel der Hauptachse der Faserausrichtung ist, K eine
Größenskalierungskonstante
ist und a(> 1) eine
Elliptizitätsgrößenkonstante
ist, welche die Faseranisotropie wiedergibt. Die elliptische Größenkonstante
bzw. Elliptizitätskonstante
ist größer für eine mehr
kreisförmige
Verteilung und kleiner für
eine in hohem Maße ausgerichtete,
elliptische Verteilung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Satz von Gleichungen entwickelt, indem die sich
ergebenden Faserausrichtsignale bei einer entsprechenden Anzahl
von Polarwinkeln von 0° bis
360° gemessen
werden. Die gemessenen Signale werden in die Gleichung (2) eingesetzt,
um den Satz von Gleichungen zu bilden, die dann gelöst werden,
um den Verkippungswinkel der Faserausrichtung und die Anisoptropie
einer Bahn von Materialien zu messen, während sie hergestellt wird,
d. h. Online. Das bedeutet, daß eine
unbekannte Verteilungsfunktion eines resultierenden Faserausrichtsignales
R(α) bestimmt wird,
oder eher das K, a und α bestimmt
werden, indem ein Satz von zumindest drei Gleichungen gelöst wird,
welche aus zumindest drei gegebenen, polaren Messungen bei bestimmten
Winkeln herrühren.
In der dargestellten Ausführungsform
sind die drei definierten polaren Winkel 0°, 120° und 240°, wie in 3 dargestellt.
Drei getrennte Messungen bei diesen Winkeln werden verwendet, um
die polare Verteilungsfunktion vollständig zu definieren und dadurch den
Verkippungswinkel θ der
Faserausrichtung und die Anisotropie a zu messen.
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Um
die Faserausrichtung und Anisotropie Online zu messen, ist es erforderlich,
daß die
Messungen ohne mechanische Drehung entweder der Sensorvorrichtung
oder der gerade gemessenen Bahn durchzuführen. Insoweit ist ein optischer
Abtastsensor entwickelt worden, der gleichzeitig drei Messungen
der Bahn aus drei verschiedenen Winkeln durchführt. Selbstverständlich könnten mehr
als drei Messungen gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgenommen werden, jedoch werden aus Gründen der
Kosten und der Komplexität
derzeit drei Messungen bevorzugt.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
eines optischen Scanners 122 mit einem Feld von Quellen und
Detektoren in einem kreisförmigen
Gehäuse 123 ist
in den 5 und 6 dargestellt. Für die Ausführungsform
wird Licht durch drei Quellen 102a, 102b, 102c erzeugt,
wobei derzeit 780 nm-IR-Laser die
bevorzugten Lichtquellen sind, welche in einer kreissymmetrischen
Anordnung und unter 120° Winkelabstand
angeordnet sind, um einen Abtastbereich 124 einer Matierialbahn 126 zu
beleuchten, welche sich während
Ihrer Herstellung durch eine Papierherstellungsmaschine bewegt.
Wie in den 5 und 6 dargestellt
ist, sind die Lichtquellen vertikal montiert und Spiegel, die durch
einen Spiegel 128 wiedergegeben werden, lenken unter einem
spitzen Winkel A Licht auf den Abtastbereich 124.
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Es
sind drei Sätze
von entsprechenden Sensoren 110a–110c und 112a–112c vorgesehen.
Aufgrund der Konusform der Lichtverteilung 106, sind die
für reflektiertes
Licht vorgesehenen Sensoren 110a–110c und 112a–112c so
angeordnet, daß sie Licht
aus dem Erfassungsbereich 124 unter einem Winkel B empfangen,
der etwas kleiner ist als der Winkel A. Wie zuvor bereits erwähnt, und
wie derzeit bevorzugt ist, können
Lichtquellen mit polarisiertem Licht und entsprechende Polarisationslichtfilter
vor jedem der Detektoren 110, 112 für unter
Reflexion gestreutes Licht verwendet werden. Ein Beispiel eines
solchen Polarisationslichtfilters 112f ist in 6 dargestellt.
Auch wenn es nicht ausdrücklich
dargestellt ist, so sollte es doch offensichtlich sein, daß passende
Polarisationsfilter an den Detektoren 110, 112 für reflektiv
gestreutes Licht angebracht oder diesen auf andere Weise zugeordnet
sein können.
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Zumindest
ein Sensor 118 für
zurückgestreutes
Licht ist vorgesehen und vorzugsweise sind drei Sätze von
entsprechenden Rückstreulichtsensoren 118, 120a–120c,
wie noch beschrieben wird, vorgesehen. Der zentrale Sensor 118 für zurückgestreutes Licht
wird zwischen allen drei Lichtquellen 102a, 102b, 102c geteilt,
wie dargestellt, die Sensoren 120a–120c für zurückgestreutes
Licht befinden sich in Einfallebenen IPa, IPb, IPc ihrer jeweiligen
Lichtquellen 102a, 102b, 102c und sie
sind um eine ausgewählte
Gradzahlen C von dem zentralen Sensor 118 für zurückgestreutes
Licht in Richtung der Lichtquellen 102a, 102b, 102c angeordnet,
siehe 6 und 7.
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Um
den Aufbau des optischen Scanners 122 deutlicher zu machen,
sind eine Lichtquelle 102a und Lichtsensoren für das Erfassen
ihrer Ausleuchtung des Abtastbereiches 124 in schematischer
Form in den 7 bis 10 wiedergegeben.
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Der
Erfassungsbereich 124 wird gleichzeitig durch alle Lichtquellen 102a, 102b, 102c beleuchtet, dementsprechend
müssen
die einzelnen Beleuchtungen, die von jeder der Lichtquellen 102a, 102b, 102c bewirkt
werden, voneinander isoliert werden, um, wie oben unter Bezug auf
die Gleichung (2) beschrieben, nach der Faserausrichtung und Anisotropie
auflösen
zu können.
Eine solche Signaltrennung ist notwendig, um kontinuierlich und
mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zu messen, so daß Licht
entlang aller drei optischer Pfade innerhalb der Einfallebenen IPa,
IPb, IPc gleichzeitig gemessen werden kann.
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Die
Messungen müssen
mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden, wobei das Ansprechen
der Sensoren eine Millisekunde oder weniger beträgt. Gemäß der Erfindung der vorliegenden
Anmeldung ist ein neues Signalverarbeitungssystem 130 entwickelt
worden, um die Beiträge der
Quellen von den jeweiligen Sätzen
von Detektoren mit sehr geringem Übersprechen voneinander zu isolieren,
siehe 11.
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In
dem Signalverarbeitungssystem 130 werden die Lichtquellen 102a, 102b, 102c bei
drei unterschiedlichen, hohen Frequenzen jeweils moduliert. In einer
funktionsfähigen
Ausführungsform
der Erfindung betrugen die Modulationsfrequenzen 40 kH, 20 kH und
10 kH. Moderne Festkörperlaserdioden
haben sehr schnelle Ansprechzeiten und können mit Frequenzen in dem
Bereich von Hunderten von Megahertz moduliert werden, falls dies
gewünscht
wäre. Die
Modulationsfrequenzen dieser drei Lichtquellen 102a, 102b, 102c sollten
von einem gemeinsamen Taktoszillator 132 abgeleitet werden,
mit konventionellen Frequenzteilern 134, 136,
damit die resultierende Signalverarbeitung exakt ohne irgendwelche Schwebungsfrequenzen
erfolgen kann.
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Die
Modulationssignale von dem Oszillator 132 und den Teilern 134, 136 werden
zu Treiberschaltkreisen 138, 140, 142 durchgeleitet,
die ihrerseits die Laser- oder Lichtquellen 102a, 102b, 102c treiben.
Die drei Lichtsignale von den Lichtquellen 102a, 102b, 102c werden
in dem Abtastbereich 124 optisch gemischt oder addiert
und werden jeweils durch die Lichtsensoren 110a–110c, 112a–112c, 118, 120a–120c des
optischen Scanners 122 in elektrische Signale umgewandelt.
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Die
Abtrennung der komplexen Signale von jedem der Lichtsensoren 110a–110c, 112a–112c, 118, 120a–120c,
welche zunächst
durch Vorverstärkerschaltkreise 144 verstärkt werden,
wird durch die synchronen Detektorschaltkreise 146 für jeden
der Kanäle
durchgeführt.
Die synchronen Detektorschaltkreise 146 sind von konventioneller
Art, wobei jeder im wesentlichen einen Multiplikator für eine Verstärkung von
+1 oder –1
bereitstellt, in Abhängigkeit
von einem digitalen Steuersignal. Die digitalen Steuersignale für die synchronen
Detektorschaltkreise 146 sind dieselben wie die Modulationssignale
von dem Oszillator 132 und den Teilern 134, 136,
wie in 11 dargestellt ist. Die Ausgangssignale
von dem zentralen Sensor 118 für zurückgestreutes Licht werden von
einem Satz von drei sychronen Detektoren 146c verarbeitet,
so daß Signale,
welche je einer der Lichtquellen 102a, 102b, 102c entsprechen,
erzeugt werden können.
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Tiefpaßfilter 148,
die in einer funktionierenden Ausführungsform eine Abschneidefrequenz
von näherungsweise
1 kHz haben, entfernen Schaltkomponenten aus den Signalen und ergeben
ein reines Gleichspannsungsausgangssignal. Indem die synchronen
Detektorschaltkreise durch die Modulationssignale von dem Oszillator 132 und
den Teilern 134, 136 gesteuert bzw. kontrolliert
werden, kann der Beitrag von jeder der Lichtquellen 102a, 102b, 102c zu den
komplexen Detektorsignalen, welche Komponenten von allen drei der
Lichtquellen 102a, 102b, 102c haben,
voneinander insoliert werden. In einer funktionierenden Ausführungsform
betrug die Trennung der Lichtquellen 102a, 102b, 102c näherungsweise
40 db mit einer Bandbreite von 1 kH für die sich ergebenden Gleichstrom-
bzw. Gleichspannungssignale.
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Auf
diese Weise werden die drei optischen Pfade, welche den Lichtquellen 102a, 102b, 102c entsprechen,
elektrisch voneinander getrennt, auch wenn das modulierte Licht
von allen drei Lichtquellen 102a, 102b, 102c gleichzeitig
vorhanden ist. Das Endergebnis besteht in drei winkelmäßig getrennten Messungen
der polaren Verteilungsfunktion R(α) der Faserausrichtung in Realzeit,
so daß der
Verkippungswinkel θ der
Faserausrichtung und die Anisotropie a ohne mechanisches Drehen
entweder des optischen Scanners 122 oder der Bahn 126 bestimmt werden
können.
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Eine
Systemsteuerung 150 empfängt alle Ausgangssignale von
den Tiefpaßfiltern 148 und
verarbeitet sie gemäß Gleichung
(1), um den Wert der polaren Verteilungsfunktion für jeden
der drei optischen Pfade abzuleiten, und zwar unter Verwendung der
Gleichungen: bei = 0°: R1* = (R11 × R12)/(BS11 × BS12) (3)
bei = 120°:
R2* = (R21 × R22)/(BS21 × BS22) (4)
bei = 240°:
R3* = (R31 × R32)/(BS31 × BS32) (5) wobei R11
das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 112a herkommt,
R12 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 110a herkommt,
R21 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 112b herkommt,
R22 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 110b herkommt,
R31 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 112c herkommt,
R32 das abgetrennte Signal ist, welches vom Lichtsensor 110c herkommt,
BS12 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 120a herkommt,
BS22 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 120b herkommt,
BS32 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 120c herkommt,
BS11 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 118 für die Lichtquelle 102a kommt,
BS21 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 118 für die Lichtquelle 102b kommt
und BS32 das abgetrennte Signal ist, welches von dem Lichtsensor 118 für die Lichtquelle 102c kommt.
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Die
drei resultierenden Meßsignale
bei 0°, 120° und 240° (R1*, R2*,
R3*) werden in drei Gleichungen für die Verteilungsfunktion R(α), Gleichung (2)
eingesetzt, die an den gegebenen Punkten exakt sind und der resultierende
Satz aus drei Gleichungen mit drei Unbekannten wird gelöst, um den
Verkippungswinkel θ der
Phaseausrichtung und die Anisotropie a zu bestimmen.
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Messungen,
die durch den optischen Scanner 122 an nicht-gewobenen
Materialbahnen, wie z. B. einer Papierbahn durchgeführt werden,
müssen bezüglich der
Bezugsablesungen, die an einer vollständig isotropen Probe genommen
werden, z. B. einer weißen
Keramikplatte, normalisiert werden, um irgendwelche Variabilitäten zwischen
den drei optischen Kanälen,
welche den Lichtquellen 102a, 102b, 102c entsprechen,
zu kompensieren. Solche Normalisierungsvorgänge werden während eines
Standardisierungs- bzw. Eichungszyklus durchgeführt. Während der optische Scanner
an einem festen Ort über einer
Bahn, die überwacht
wird, angeordnet sein kann, oder mehrere optische Scanner in einer
Anzahl von Positionen quer über
der Materialbahn vorgesehen sein können, ist es bevorzugt, den
optischen Scanner an einer konventionellen Abtastausrüstung zu
montieren, die ihn über
die Materialbahn quer zur Maschinenrichtung vor- und zurückbewegt.
Für abgetastete
Ausgestaltungen wird der optische Scanner von der Bahn wegbewegt,
was oft als der Prozeß bezeichnet
wird, und wird über
einer geeigneten, vollständig
isotropen Probe für
solche Kalibrierung-/Normaliesierungsvorgänge angeordnet, wie es in der
Industrie üblich
ist.
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Zusätzliche
Information über
die Oberflächeneigenschaften
der Materialbahn, die überwacht wird,
ist in den einzelnen Werten jedes der Rohsignale enthalten, die
in die Gleichungen 3–5
eingehen. Dementsprechend ist zu erwarten, daß verbesserte mathematische
Verarbeitungsanordnungen möglich sind,
um vieles, wenn nicht alles, von dieser Information zu extrahieren,
um die Meßgenauigkeit
der Faserausrichtung zu verbessern oder um die Materialbahn weiter
zu analysieren, wie z. B. bezüglich
der Oberflächenglätte und
dergleichen.
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Ein
MD/CD Verhältnis
ebenso wie ein Verkippungswinkel der Hauptachse bezüglich MD
kann bestimmt werden, nachdem die Verteilungsfunktion gelöst worden
ist. Diese können
auf einer Anzeigeeinrichtung 152 als zwei zusätzliche
Profilvariable angezeigt werden, die von dem optischen Scanner 122 abgeleitet
wurden.
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In
einer Anordnung für
Online-Sensoren für eine
Papierherstellungsmaschine werden vorzugsweise zwei identische optische
Scanner 122 für
Messungen der Ober- bzw. der Unterseite verwendet. Auf diese Weise
kann eine vollständige
Charakterisierung der Faserausrichtung für beide Seiten der Papierbahn
oder eines Vorganges bestimmt werden und der Maschinenbetrieb kann
abgestimmt oder gesteuert werden, um die Faserausrichtung zu optimieren
und um Unterschiede in der Orientierung der Fasern auf der Ober-
im Vergleich zur Unterseite zu vermindern, um einen gleichmäßigeren
Bogen herzustellen mit verminderter Tendenz zum Aufrollen oder anderen
Qualitätsmängeln.
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Nachdem
also die Erfindung gemäß der vorliegenden
Anmeldung im einzelnen und unter Bezug auf bevorzugte Anführungsformen
derselben beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß Modifikationen
und Änderungen
möglich
sind, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, der in den anhängenden
Ansprüchen
definiert ist.
