DE3603235A1 - Vorrichtung und verfahren zum analysieren von parametern eines faserigen substrats - Google Patents

Description

56Ö3235

Vorrichtung und Verfahren zum Analysieren von Parametern eines faserigen Substrats

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren von Parametern eines faserigen Substrats, wie z.B. Papier, und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auswerten des Faserorientierungsverhältnisses, der Formierung und des Flächengewichts des Papiers.

In der Papierherstellung wird der Begriff "Faserorientierung" zur Beschreibung der allgemeinen Anordnung von Fasern innerhalb eines Papiersubstrats verwendet. Papierfasern sind normalerweise nicht in allen Richtungen in der Ebene des Papiers gleichmäßig angeordnet. Es ist vielmehr so, daß ein Teil der Fasern in der "Herstellungsrichtung" bzw. "Laufrichtung" ("MD") des Papiers orientiert ist, während andere Fasern senkrecht dazu, d.h. in der "Querrichtung" ("CD") des Papiers orientiert sind. Andere Fasern wiederum sind in wahlloser Weise zwischen der Laufrichtung und der Querrichtung orientiert. Bei den in der Laufrichtung befindlichen Fasern handelt es sich um diejenigen Fasern, die in Längsrichtung in derjenigen Richtung orientiert sind, in der sich das Papier in Form einer Bahn in der Papierherstellungsmaschine bewegt hat. Die Querrichtung ist senkrecht zu der Richtung des Papierbahnlaufs durch die Papierherstellungsmaschine.

Bei der Faserorientierung handelt es sich um einen Schlüsselfaktor bezüglich der Festigkeit und der Anisotropie von Papier. Faktoren, die die Faserorientierung beeinflussen, sind die Ausbildung des die Papierpulpe enthaltenden Stoffauflaufkastens, die Papierpulpe, die unterschiedliche Geschwindigkeit zwischen dem Pulpenstrahl und dem endlosen Siebförderer, der die Pulpe in Form einer Matte bzw. eines Vlieses transportiert, sowie die bei dem Herstellungsvorgang verwendete Rate der Entwässerung.

Durch verschiedene Untersuchungen wurde nachgewiesen, daß die Orientierung des in Form einer Bahn vorliegenden faserigen Materials in einer klaren Beziehung zu bestimmten wichtigen physikalischen Eigenschaften der Bahn steht. Einige dieser Eigenschaften sind allgemein bekannt, wie z.B. die Zugfestigkeit, der Elastizitätsmodul, der Schermodul, die Spannung beim Reißen, die Normalbeanspruchung, die Scherbeanspruchung, die Berstfestigkeit usw.

Für einige Produkte ist eine wahllose Faserorientierung gleichermaßen in großen und kleinen Flächen erwünscht. Bei anderen Produkten ist es wünschenswert, einen großen Anteil der Faserorientierung in nur einer Richtung im Gegensatz zu allen anderen Richtungen zu erzielen. Ein solches Produkt würde in der Richtung, die zu der Richtung mit der hohen Ausrichtung parallel ist, leicht reißen und in der Richtung, die zu der genannten parallelen Richtung senkrecht ist, die maximale Festigkeit aufweisen.

Die Faserorientierung während der Papierbahnherstellung wird dadurch gesteuert, daß man die Geschwindigkeit des Pulpenzuführstrahls relativ zu der Geschwindigkeit des die Bahn bildenden Siebs einstellt. Eine wahllose Orientierung wird dadurch auf ein Maximum gebracht, daß man die beiden Geschwindigkeiten exakt gleich wählt. Eine Orientierung in Laufrichtung wird dadurch auf ein Maximum gebracht, daß man das Sieb und den Pulpenzuführstrahl mit geringfügig verschiedenen Geschwindigkeiten genau steuert.

Im Stand der Technik sind mehrere Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung bekannt. Diese Verfahren beinhalten verschiedene Arten von Zugfestigkeitstests, bei denen die Zugfestigkeit in verschiedenen Richtungen des Papiers gemessen wird. Brauchbare Ergebnisse erzielt man durch diese Verfahren nur dann, wenn zwischen der Zugfestigkeit und der Orientierung ein hohes Maß an Korrelation besteht, was nicht immer der Fall ist. Ein weiteres Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung

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ist das sogenannte "Färbverfahren". Dabei werden eingefärbte Fasern der Pulpe hinzugefügt, und die in unterschiedlichen Richtungen liegenden Fasern werden einzeln gezählt. Diese Technik ist mühsam und nicht dafür geeignet, während der Herstellung von für den Handel bestimmten Erzeugnissen verwendet zu werden.

Es sind auch verschiedene Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung bekannt, die auf die Beugung von Strahlung basieren. Zum Beispiel wurden Röntgenstrahlenbeugungsverfahren und Neutronenbeugungsverfahren untersucht, doch ihre letzendliche Brauchbarkeit wurde nicht erwiesen. Eine bei solchen Verfahren vorhandene Schwierigkeit besteht in der Interpretation der erzielten Beugungsmuster. Es wurden auch Ultraschalltechniken zum Analysieren der Faserorientierung verwendet, die sich der Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Papier bedienen.

In der US-PS 3 807 868 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier durch Verwendung eines reflektierten Lichtstrahls offenbart. Ein polarisierter Lichtstrahl, wie z.B. ein Laserstrahl, wird rechtwinklig auf die Ebene des Papiers gerichtet. Die Intensität des Lichts, das von dem Papier in einem bestimmten Winkel reflektiert wird, wird in zwei zueinander senkrechten Ebenen betrachtet. Aus der Intensität des reflektierten Lichts werden zwei Mengen gebildet. Die eine Menge ergibt sich dadurch, daß das reflektierte Licht durch einen Polarisator hindurchgeführt wird, der eine zu der Ebene der Polarisierung des Lichtstrahls parallel verlaufende Polarisierungsebene besitzt. Die andere Menge erhält man dadurch, daß man das reflektierte Licht durch einen Polarisator hindurchführt, dessen Polarisierungsebene senkrecht zu der Ebene der Polarisierung des Lichtstrahls verläuft. Die Differenzen zwischen den in den zwei Ebenenen betrachteten beiden Mengen werden errechnet, und das Verhältnis dieser Differenzen wird als Maß für die Faserorientierung verwendet. Das in dieser Schrift offenbarte Verfahren verwendet eine ortsfeste Lichtquellen- und Detektoranordnung.

Ein weiterer Parameter, der bei faserigen Substraten, wie z.B. Papier, von Interesse ist, ist unter der Bezeichnung "Formierung" bzw. "Gestaltung" bekannt. Wenn ein Blatt Papier bei Betrachtung im Licht gleichmäßig aussieht, nennt man seine Formierung gut, während eine unregelmäßige, körnige oder fleckige Struktur als solche beschrieben oder aber als "wilde" Formierung bezeichnet werden kann. Die US-PS'en 3 435 240, 3 435 242 und 3 563 667 offenbaren jeweils eine Vorrichtung zum Messen der Formierung von Papier. Bei den US-PS'en 3 435 240 und 3 435 werden zwei Photovervielfacher auf jeweilige große und kleine Flächenbereiche auf einer sich bewegenden Papierbahn gerichtet. Die Sichtfelder der Photovervielfacher überlappen einander derart, daß das größere Sichtfeld das kleinere Sichtfeld umgibt. Der Lichtdurchlaßgrad eines kleinen Lichtflecks auf dem Papier wird mit dem Lichtdurchlaßgrad eines viel größeren Flächenbereichs des Lichts auf dem Papier verglichen, um ein die Gestaltung darstellendes Signal zu schaffen. In der US-PS 3 563 667 erfolgt eine Formierungsmessung dadurch, daß man einen Lichtstrahl durch das Papier hindurchleitet und man diesen auf ein lichtempfindliches Element einwirken läßt, das sich auf der anderen Seite des Papiers befindet. Es wird ein Strom erzeugt, der der Lichtintensität proportional ist und aus Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten besteht. Die Wechselstromkomponente stellt die Ungleichmäßigkeit in der Papierformierung dar.

Eine weitere wichtige Charakteristik von Papier ist dessen Flächengewicht. Das Flächengewicht von Papier, das in Pfund ausgedrückt wird, ist das Gewicht eines Ries von 500 Blättern mit der Größe 24 Inch mal 36 Inch (60,96 cm χ 91,44 cm). Aufgrund der dem Herstellungsvorgang innewohnenden Mangelhaftigkeit wird die Papierindustrie schon seit Jahren durch Schwankungen im auf das Papierblatt bezogene Flächengewicht während des Herstellungsvorgangs geplagt. Verschiedene Vorrichtungen zum Messen des Flächengewichts von Papier sind in den US-PS'en 3 207 901, 3 687 802 und 4 098 641 offenbart.

Bei der US-PS 3 687 802 wird das Flächengewicht durch Verwendung einer Gammastrahlen- oder Betastrahlen-Meßlehre bestimmt. Bei den US-PS'en 3 207 901 und 4 098 641 wird das Flächengewicht dadurch bestimmt, daß Licht durch eine sich bewegende Papierbahn hindurchgeleitet wird. Das Ausmaß von Licht, das durch das Papiersubstrat übertragen wird, stellt eine Funktion des Flächengewichts des Papiers dar.

Es wäre wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen verschiedener Parameter eines faserigen Substrats, wie z.B. Faserorientierung, Formierung und Flächengewicht, zu schaffen. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sollten in höchstem Maße genau sein, um aussagefähige Resultate entweder direkt bei einem Herstellungsverfahren oder aber als Bestandteil eines Qualitätskontrollvorgangs für ein hergestelltes Substrat zu schaffen. Anlagen mit dieser Fähigkeit würden für den Papierbahnhersteller eine unmittelbare quantitative Rückwirkung haben. Eine solche Rückwirkung könnte letztendlich einen geschlossenen Kreis schaffen, wodurch das für den Hersteller so wichtige konstante Verhältnis der Pulpenstrahlgeschwindigkeit zu der Siebgeschwindigkeit sichergestellt wäre.

Eine Aufgäbeνder.„vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die bzw. das Parameterbestimmungen der geschilderten Art mit größerer Genauigkeit ermöglicht.

Lösungen dieser Aufgabe ergeben sich aus den Kennzeichen der Ansprüche 1, 11 und 19.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Analysieren eines faserigen Substrats, insbesondere Papier, zur Auswertung des Faserorientierungsverhältnisses, des Formierungsindexes sowie des Flächengewichts des Substrats geschaffen. Die Vorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle zum Beleuchten einer Flachseite eines zu analysierenden Substrats.

Ein erster und ein zweiter Photodetektor detektieren von der Lichtquelle stammendes Licht, das durch das Substrat hindurchgetreten ist. Die Photodetektoren erzeugen Ausgangssignale, die dem auf diese Weise detektierten Licht proportional sind. Es sind Einrichtungen vorgesehen zum Begrenzen des Sichtfelds des ersten Photodetektors auf einen schmalen Streifen, der in einer ersten Richtung, z.B. in der Laufrichtung des Papiersubstrats, verläuft, und es sind Einrichtungen vorgesehen zum Begrenzen des Sichtfelds des zweiten Photodetektors auf einen schmalen Streifen, der in einer zweiten Richtung, z.B. in der Querrichtung des PapierSubstrats, verläuft. Außerdem gibt es Einrichtungen zum gemeinsamen Abtasten der Sichtfelder der Photodetektoren in einem sich wiederholenden die erste und die zweite Richtung

querenden Muster, um einen Bereich auf dem zu analysierenden Substrat abzudecken. Geeignete Filter eliminieren solche Komponenten in den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Photodetektors, die unter einer vorbestimmten Frequenz liegen. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen zum Verarbeiten der gefilterten Ausgangssignale der Photodetektoren zur Erzeugung eines kombinierten Signals, das eine Angabe für das Verhältnis von Fasern des Substrats, die in der ersten Richtung orientiert sind, zu den Fasern, die in der zweiten Richtung orientiert sind, schafft.

Typischerweise sind die Sichtfelder des ersten Photodetektors (erste Richtung) und des zweiten Photodetektors (zweite Richtung) zueinander senkrecht. Außerdem lassen sich die schmalen Streifen, die die Sichtfelder der Photodetektoren begrenzen, derart optisch übereinanderlegen, daß sie ein Kreuz für die Abtastung des Substrats schaffen. Bei dem sich wiederholenden Muster, in dem das Kreuz abgetastet wird, kann es sich z.B. um einen Kreis oder um eine Rosette handeln. Ein solcher Abtastvorgang läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß man für das kreisförmige Muster ein rotierendes Keilprisma verwendet und man für das Rosettenmuster ein Paar gegenläufig rotierender Keilprismen verwendet.

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Durch Summieren der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Photodektoreinrichtung und Filtern der summierten Ausgangssignale, um eine erste und eine zweite räumliche Frequenz herauszuholen, lassen sich Signale erzeugen, die eine Angabe für die Forrnierungsstruktur des Substrats schaffen, und diese Signale lassen sich auf einer Anzeige anzeigen, falls dies gewünscht ist.

Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu ausgelegt, die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Pnotodetektors zu summieren, die Größe derselben mit einer Bezugsgröße zwecks Errechnung eines Differenzsignals zu vergleichen, und die Helligkeit der Lichtquelle entsprechend dem Differenzsignal einzustellen, um die durch das Substrat hindurchtretende Lichtmenge auf einem konstanten Niveau zu halten, wodurch sich ein Signal erzeugen läßt, das eine Angabe für das Flächengewicht des Substrats schafft.

Gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird das Faserorientierungsverhältnis in einem faserigen Substrat dadurch analysiert, daß man zuerst Licht von einer Lichtquelle durch ein zu analysierendes Substrat leitet. Das durch das Substrat hindurchtretende Licht wird dann mittels eines ersten Detektors betrachtet, der ein Sichtfeld aufweist, das auf einen in einer ersten Richtung verlaufenden Schlitz begrenzt ist, sowie mittels eines zweiten Detektors betrachtet, der ein Sichtfeld aufweist, das auf einen in einer zweiten Richtung verlaufenden Schlitz begrenzt ist, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht verläuft. Die Sichtfelder des ersten und des zweiten Detektors werden in einem sich wiederholenden Muster über einen Substratbereich gescannt, das sich über die erste und die zweite Richtung erstreckt bzw. diese Richtungen kreuzt bzw. diese Richtungen quert, um auf dem zu analysierenden Substrat einen Flächenbereich abzudecken. Die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Detektors werden während des Abtastvorgangs verarbeitet, um ein Signal zu erzeugen, daß eine Angabe für

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das Verhältnis von Fasern des Substrats, die in der Richtung des ersten Schlitzes orientiert sind, zu den Fasern, die in der Richtung des zweiten Schlitzes orientiert sind, schafft. Der Formierungsindex und das Flächengewicht des Substrats werden durch weiteres Verarbeiten der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Detektors bestimmt bzw. ermittelt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand von teilweise schematischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 und 3 Diagramme, die das Konzept der koaxialen Nutation veranschaulichen;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die das Frequenzspektrum der Information veranschaulicht, die bei einen erfindungsgemäß aufgebauten Papierbahnanalysiersystem verwendet wird;

Fig. 5 ein Diagram, das die Verwendung von gegenläufig .' rotierenden Keilprismen zum Abtasten eines Rosettenmusters veranschaulicht; und

Fig. 6 ein Diagramm, das eine mechanische Anordnung für die Rotation der in Fig. 5 gezeigten Prismen veranschaulicht.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, beleuchtet eine Lichtquelle 10 ein Prüfstück bzw. eine zu prüfende Bahn 12 von einer bevorzugten Rückseite bzw. Unterseite her in einer derartigen Weise, daß Licht durch die Bahn hindurchgeleitet wird. Die Lichtquelle 10 kann z.B. eine Parabollampe eines allgemein bekannten Typs umfassen. Der Begriff "Licht" wird in der gesamten Beschreibung sowie in den Ansprüchen in seiner breitesten Bedeutung verwendet, und dem Fachmann auf diesem Gebiet ist klar, daß auch andere Strahlungsquellen, wie z.B. eine ausschließlich Infrarotlicht verwendete Quelle, von dem Begriff "Licht" mit umfaßt sind. Dieser Begriff soll also alle solchen Strahlungsquellen umfassen, ob sie nun im sichtbaren Spektrum des Lichts liegen oder nicht.

Eine Objektivlinse 13 bildet ein Bild bzw. Abbild der Bahn 12 einschließlich von Fasern und Faserflocken. Das Bild wird durch einen Strahlenteiler 14 mit einem Teilungsverhältnis von 50 : 50 zu zwei Bildebenen χ und y übertragen, von denen die eine einen senkrechten Schlitz 15 und die andere einen waagrechten Schlitz 16 aufweist. Die Schlitze 15 und 16 sind miteinander identisch und besitzen jeweils ein Längenverhältnis, d.h. ein Verhältnis von Länge zur Breite, von 250 zu 1, wobei die kleine Dimension einem minimalen Faserdurchmesser von 0,0 25 mm entspricht. Ein Keilprisma 17 verursacht eine Ablenkung des Bildes der Bahn 12 in einem Winkel von beispielsweise 6°. Das Keilprisma 17 wird mittels eines nicht gezeigten Motors in Rotation versetzt und dreht sich mit einer konstanten Drehzahl von beispielsweise 900 Umdrehungen pro Minute.

Die in dem X- und dem Y-BiId vorhandene optische Strahlungsenergie tritt in die Schlitze 15 und 16 ein und wird mittels X- und Y-Photodetektoren 18 und 19 gesammelt, wo die optische Strahlungsenergie in eine X-Koordinatenspannung bzw. eine Y-Koordinatenspannung umgewandelt wird.

Die X- und Y-Koordinatenspannungen werden über miteinander identische Widerstände 20 und 21 addiert. Die Summe aus X + Y wird durch die Wirkung einer aus einem Widerstand 22 und einem Kondensator 23 gebildeten Kombination integriert. Diese Kombination aus Widerstand und Kondensator könnte z.B. ein Bandpaßverhalten im Bereich von 0 bis 100 Hz aufweisen.

Die integrierte Summe aus X + Y, die die Bezeichnung "e₂" trägt, wird mittels eines Komparators 24 invertiert. Die invertierte Summe wird mit einer Bezugsspannung "e.." verglichen, die die Funktion einer Eich- und Steuerspannung hat. Der Komparator 24 verstärkt das in ihn eingehende Eingangssignal um eine Konstante "k". Das Ausgangssignal wird einem Regler 25 für die Lichtquellenenergie zugeführt, wodurch ein Negativrückkopplungsregelkrexs vervollständigt wird. Der Regler 25 stellt das Ausmaß von Energie

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bzw. Leistung bzw. Strom ein, welches von einer Energieversorgungseinrichtung 40 kommt, die Energie zum Betreiben der Lichtquelle 10 liefert.

Wenn die optische Dichte der Bahn 12 erhöht wird, wird die Helligkeit bzw. Intensität der Lichtquelle 10 in direkter Proportion dazu erhöht, und zwar durch die Wirkung des Negativrückkopplungsregelkreises. Auf diese Weise wird die Sensitivität des Systems auf einzelne Fasern oder Gruppen von Fasern ("Flocken") aufrechterhalten.

Die Rotation des Keilprismas 17 verursacht eine Winkelgeschwindigkeit in dem optischen Bild. Wenn sich das Bild an den Schlitzen 15 und 16 vorbeibewegt, werden durch die Vorbeibewegung von Fasern und Flocken unterschiedlicher Größe elektrische Impulse erzeugt. zum Beispiel würden bei einem Abtastwinkel von 6° und einer Drehzahl von 900 Umdrehungen pro Minute die Impulse, die sich aufgrund der Fasern und Flocken von jeweils bis zu zehn Fasern ergeben, zeitlichen Frequenzen von 10 kHz bis 100 kHz und räumlichen Frequenzen von 200 um bzw.20 um entsprechen.

Das Bild einer Faser oder einer Gruppe von Fasern, die sich an den Schlitzen 15, 16 vorbeibewegen und parallel zu den Schlitzen orientiert sind, erzeugt die maximale Veränderung . des optischen Kontrasts und somit die größte Ausgangsspannung in dem vorstehend erwähnten Bereich von Frequenzen. Umgekehrt dazu erzeugt das Bild einer Faser oder einer„Gruppe von Fasern, die sich an den Schlitzen 15, 16 vorbeibewegen und senkrecht zu den Schlitzen orientiert sind, die minimale Veränderung des optischen Kontrasts und somit die kleinste Ausgangsspannung in dem vorstehend erwähnten Bereich von Frequenzen. Die Spannungen der Photodetektoren 18 und 19 werden nach dem Durchlaufen von Bandpaßfiltern 26 und 27 mittels Demodulatoren 28 und 29 demoduliert, wodurch jeweils X- und Y-Gleichstromspannungen geschaffen werden,die zuder Anzahl der in jeder der beiden Richtungen orientierten Fasern jeweils proportional sind.

Die beiden Spannungen werden einer elektronischen Dividier- bzw. TeilerSchaltung 30 zugeführt, und das Verhältnis wird auf einer herkömmlichen Anzeige 31 angezeigt. Bei der Anzeige 31 kann es sich z.B. um irgendeine allgemein bekannte Digitalanzeige handeln.

Wenn das Papierbahnanalysiersystem durch Einstellen der Bezugsspannung e.. , die in den Komparator 24 eingegeben wird, korrekt geeicht ist, dann ist - für eine bestimmte Papierbahn wie z.B. Kraftpapier bzw. braunes Hartpapier - der der Lichtquelle zugeführte Strom und somit die Lichtquellenenergie proportional zu dem "Flächengewicht" des Papiers. Ein Stromsensor 32, der zwischen den Regler 25 und die Lichtquelle 10 geschaltet ist, schafft ein Ausgangssignal, das der Helligkeit der Lichtquelle 10 proportional ist. Dieses Ausgangssignal kann auf einer herkömmlichen Anzeige 42 als eine Angabe für das Flächengewicht der Papierbahn angezeigt werden.

Außerdem lassen sich bestimmte Komponenten der Summe der Ausgangssignale der Photodetektoren 18 und 19 z.B. mittels Filtern 33 und 34 entfernen. Diese Komponenten werden manchmal zur Charakterisierung der "Formierung" der Bahn verwendet. Das Filter 33 läßt eine zeitliche Frequenz von 2000 Hz durch, die bei diesem System einer räumlichen Frequenz von 1 mm entspricht. Das Filter 34 läßt eine zeitliche Frequenz von 500 Hz durch, die bei diesem System einer räumlichen Frequenz von 4 mm entspricht. Diese Komponenten werden mittels Demodulatoren 35 und 36 demoduliert und in Form von Formierungsindizes für 1 mm bzw. 4 mm auf Anzeigen 37 und 38 angezeigt.

Bei der beschriebenen Abtasteinrichtung wird das optische Bild in Form eines Kreises abgetastet bzw. einer "Nutation" unterzogen, wobei die Schlitze 15 und 16 ortsfest bleiben. Zur Schaffung von Klarheit sei noch erwähnt, daß man sich die beiden Schlitze 15 und 16, die zueinander senkrecht sind, so vorstellen kann, daß sie eine Nutation um eine gemeinsame Achse ausführen, die durch die Papierbahn verläuft. Das Konzept der koaxialen Nutation ist in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt

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die X-Komponente des Bilds, und Fig. 3 zeigt die Y-Komponente desselben. Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Bilder werden während des Betriebs der Vorrichtung durch den ein Teilungsverhältnis von 50 : 50 aufweisenden Strahlenteiler 14 übereinandergelegt.

Fig. 4 zeigt das Frequenzspektrum von Information, die in dem Papierbahnanalysiersystem verwendet wird. Das "Flächengewicht" erstreckt sich von 0 bis z.B. 100 Hz. Die Spitzen der "Formierung" für 4 mm liegen z.B. bei 500 Hz. die Spitzen der "Formierung" für 1 mm liegen z.B. bei 2000 Hz. Die "Faserorientierung" umfaßt einen Bereich von 10 kHz bis 100 kHz.

Ein zweites Abtastverfahren ist in Fig. 5 dargestellt. Dieses Verfahren ist bevorzugt, da es im Gegensatz zu dem ersten Verfahren, das nur die Peripherie eines Kreises abtastet, 100 % einer scheibenartigen Fläche in Form eines Rosettenmusters abtastet. Anstelle eines einzigen rotierenden Keilprismas 17, wie dieses in Fig. 1 gezeigt ist, werden zwei gegenläufig rotierende Keilprismen 46, 47 verwendet. Die Prismen 46, 47 rotieren mit unterschiedlichen Drehzahlen, um ein Rosettenmuster 50 zu erzeugen. In den drei verschiedenen in Fig. 5 gezeigten Orientierungen wird das Bild durch die Wirkung der gegenläufig rotierenden Keilprismen 46, 47 entweder nach unten abgelenkt oder nach oben abgelenkt oder aber es wird überhaupt nich abgelenkt. Das Resultat ist das gezeigte Rosettenmuster 50. Die mechanische Konfiguration der Abtasteinrichtung ist in Fig. 6 gezeigt.

Die beiden Keilprismen 46, 47 werden mittels eines Motors 48 und eines Rädergetriebes 49 in gegenläufigen Richtungen sowie mit geringfügig unterschiedlichen Drehzahlen gedreht, wodurch ein vollständiges rosettenartiges Abtastmuster erzeugt wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dreht sich das eine Prisma mit einer Drehzahl von 15 Umdrehungen pro Sekunde und das andere mit einer Drehzahl von 18 Umdrehungen pro Sekunde. Eine vollständige Abtastung würde 3 Sekunden (18 minus 15) dauern.

Claims (22)

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Analysieren eines faserigen Substrats, inbesondere Papier, zur Auswertung der Orientierungen der darin befindlichen Fasern,

gekennzeichnet durch

eine Lichtquelleneinrichtung (10) zum Beleuchten einer Seite eines zu analysierenden Substrats (12); eine erste und eine zweite Photodetektoreinrichtung (18, 19) zum Detektieren von von der Lichtquelleneinrichtung (10) stammendem Licht, das durch das Substrat (12) hindurchgetreten ist, sowie zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das dem auf diese Weise detektierten Licht proportional ist; eine Einrichtung zum Begrenzen des Sichtfeldes der ersten Photodetektoreinrichtung (18) auf einen in einer ersten Richtung verlaufenden schmalen Streifen (15); eine Einrichtung zum Begrenzen des Sichtfeldes der zweiten Photodetektoreinrichtung (19) auf einen in einer zweiten Richtung verlaufenden schmalen Streifen (16); eine Einrichtung (17; 46, 47) zum gemeinsamen Abtasten der Sichtfelder der Photo detektoreinrichtungen (18, 19) in einem sich wiederholenden, die erste

und die zweite Richtung querenden Muster, um einen Bereich auf dem zu analysierenden Substrat (12) abzudecken; eine Einrichtung (26) zum Filtern des von der ersten Photodetektoreinrichtung (18) stammenden Ausgangssignals zum Eliminieren von Komponenten desselben, die unter einer vorbestimmten Frequenz liegen;

eine Einrichtung (27) zum Filtern des von der zweiten Photodetektoreinrichtung (19) stammenden Ausgangssignals zum Eliminieren von Komponenten desselben, die unter einer vorbestimmten Frequenz liegen; und durch eine Einrichtung zum Verarbeiten der gefilterten Ausgangssignale der Photodetektoreinrichtungen (18, 19) zur Erzeugung eines kombinierten Signals, das eine Angabe für das Verhältnis von Fasern des Substrats (12), die in der ersten Richtung orientiert sind, zu den Fasern, die in der zweiten Richtung orientiert sind, schafft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Richtung zu der zweiten Richtung senkrecht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen Streifen (15, 16) derart optisch übereinanderliegen, daß sie ein Kreuz für die Abtastung in dem sich wiederholenden Muster schaffen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem sich wiederholenden Muster, in dem das Kreuz abgetastet wird, um einen Kreis handelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem sich wiederholenden Muster, in dem das Kreuz abgetastet wird, um eine Rosette handelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung ein rotierendes Keilprisma (17) umfaßt, das zwischen dem Substrat (12) und den Photodetektoreinrichtungen (18, 19) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung ein Paar gegenläufig rotierender Keilprismen (46, 47), die zwischen dem Substrat (12) und den Photodetektoreinrichtungen (18, 19) angeordnet sind, sowie eine Einrichtung (48, 49) zum Drehen der beiden Prismen (46, 47) mit unterschiedlichen Drehzahlen umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (20, 21) zum Summieren der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Photodetektoreinrichtung (18, 19); eine Einrichtung (33, 34) zum Filtern der summierten Ausgangs-Signale, um eine erste und eine zweite räumliche Frequenz herauszuholen; und durch

eine Einrichtung (35, 36) zum Verarbeiten der ersten und der zweiten räumlichen Frequenz zur Erzeugung von Signalen, die eine Angabe für die Formierungsstruktur des Substrats (12) schaffen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (20, 21) zum Summieren der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Photodetektoreinrichtung (18, 19); eine Einrichtung (24) zum Vergleichen der Größe der summierten Ausgangssignale mit einer Bezugsgröße sowie zum Errechnen eines Differenzsignals daraus; und durch

eine Einrichtung (25) zum Einstellen der Helligkeit der Lichtquelle (10) entsprechend dem Differenzsignal zum Halten der durch das Substrat (12) hindurchtretenden . Lichtmenge auf einem konstanten Niveau, um dadurch ein Signal zu erzeugen, das eine Angabe für das Flächengewicht des Substrats (12) schafft.

10. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Substrat (12) um eine sich durch eine Papierherstellungsmaschine bewegende Papierbahn handelt.

11. Vorrichtung zum Analysieren von Eigenschaften eines faserigen Substrats, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Lenken von Licht von einer Lichtquelle (10) durch ein zu analysierendes Substrat (12); einen ersten Photodetektor (18);

eine erste Schlitzeinrichtung (15) zum Begrenzen des Sichtfeldes des ersten Photodetektors (18) auf einen in einer ersten Richtung verlaufenden schmalen Schlitz;
einen zweiten Photodetektor (19);

eine zweite Schlitzeinrichtung (16) zum Begrenzen des Sichtfeldes des zweiten Photodetektors (19) auf einen schmalen Schlitz, der in einer zu der ersten Richtung im wesentlichen senkrechten zweiten Richtung verläuft;

eine optische Einrichtung (14) zum übereinanderlegen und Abtasten der begrenzten Sichtfelder der Photodetektoren (18, 19) in der ersten und der zweiten Richtung über das Substrat (12) zwecks Überwachung von Licht, das von der Lichtquelle (10) her durch das Substrat (12) hindurchgetreten ist, sowie zwecks Erzeugung von AusgangsSignalen entsprechend dem Licht; und durch eine Einrichtung zum Verarbeiten der von den Photodetektoren (18, 19) stammenden Ausgangssignale zur Schaffung von Information über bestimmte Eigenschaften des Substrats (12).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung aufweist: eine mit dem ersten und dem zweiten Photodetektor (18, 19) gekoppelte Bandpaßfilter- und Demodulatoreinrichtung (26, 27, 28, 29) zum Weiterleiten und Demodulieren von von den Photodetektoren (18, 19) stammenden Ausgangssignalen, die in einem vorbestimmten Bereich liegende Frequenzen aufweisen, die eine Angabe für Fasern in dem Substrat (12) schaffen; und

eine Einrichtung (30) zum Schaffen eines kombinierten Signals aus den gefilterten, demodulierten Signalen, das eine Angabe für das Verhältnis von Fasern in dem Substrat, die in der ersten Richtung orientiert sind, zu den Fasern, die in der zweiten Richtung orientiert sind, schafft.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung aufweist: eine Einrichtung (20, 21) zum Summieren der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Photodetektors (18, 19); eine Einrichtung (33, 34) zum Filtern der summierten Ausgangssignale, um eine erste und eine zweite räumliche Frequenz herauszuholen; und

eine Einrichtung (35, 36) zum Verarbeiten der ersten und der zweiten räumlichen Frequenz zur Erzeugung von Signalen, die eine Angabe für die Formierungsstruktur des Substrats (12) schaffen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (3 3, 34) räumliche Frequenzen von ca. 1 mm und ca. 4 mm herausholt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (24) zum Vergleichen der Größe der summierten Ausgangssignale mit einer Bezugsgröße sowie zum Errechnen eines Differenzsignals daraus; und

eine Einrichtung (25) zum Einstellen der Helligkeit der Lichtquelle (10) entsprechend dem Differenzsignal zum Halten der durch das Substrat (12) hindurchtretenden Lichtmenge auf einem konstanten Niveau, um dadurch ein Signal zu erzeugen, das eine Angabe für das Flächengewicht des Substrats (12) schafft.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung aufweist: einen Strahlenteiler (14) zum Lenken des auf diesen einfallenden Lichts zu dem ersten und dem zweiten Photodetektor (18, 19); und

ein rotierendes Keilprisma (17), das zwischen dem Substrat (12) und dem Strahlenteiler (14) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet, daß ein gegenläufig rotierendes Keilprisma mit dem genannten Keilprisma in Reihe geschaltet ist und sich mit einer anderen Drehzahl als dieses dreht.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17,

dadurch gekennzeichnet, daß die übereinanderliegenden, begrenzten Sichtfelder ein Kreuz bilden.

19. Verfahren zum Analysieren des Faserorientierungsverhältnisses eines faserigen Substrats, insbesondere Papier, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Leiten von Licht von einer Lichtquelle durch ein zu analysierendes Substrat;

Betrachten des durch das Substrat hindurchtretenden Lichts mittels eines ersten Detektors, der ein Sichtfeld aufweist, das auf einen in einer ersten Richtung verlaufenden Schlitz begrenzt ist, sowie mittels eines zweiten Detektors, der ein Sichtfeld aufweist, das auf einen in einer zweiten Richtung verlaufenden Schlitz begrenzt ist, wobei die zweite Richtung zu der ersten

Richtung senkrecht verläuft;

Abtasten der Sichtfelder des ersten und des zweiten Detektors in

einem sich wiederholenden, die erste und die

zweite Richtung querenden Muster, um auf dan zu analysierenden Substrat einen Flächenbereich abzudecken; und durch Verarbeiten der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Detektors während des Abtastvorgangs zwecks Erzeugung eines Signals, das eine Angabe für das Verhältnis von Fasern des Substrats, die in der Richtung des ersten Schlitzes orientiert sind, zu den Fasern, die in der Richtung des zweiten Schlitzes orientiert sind, schafft.

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20. Verfahren nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Detektors während des Abtastvorgangs zwecks Erzeugung eines kombinierten Sensorsignals summiert werden und daß das kombinierte Sensorsignal gefiltert wird, um eine erste räumliche Frequenz herauszuholen, die eine Angabe für den Formierungsindex des Substrats bei der ersten räumlichen Frequenz schafft.

21. Verfahren nach Anspruch 20,

dadurch gekennzeichnet, daß das kombinierte Sensorsignal gefiltert wird, um eine zweite räumliche Frequenz herauszuholen, die eine Angabe für den Formierungsindex des Substrats bei der zweiten räumlichen Frequenz schafft.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet,

daß die Größe des kombinierten Sensorsignals mit einer Bezugsgröße verglichen wird und daraus ein Differenzsignal errechnet wird,

daß die Helligkeit der Lichtquelle durch entsprechend dem Differenzsignal erfolgendes Variieren der Größe des der Lichtquelle zugeführten Stroms eingestellt wird, um die durch das Substrat hindurchtretende Lichtmenge auf einem konstanten Wert zu halten, und

daß das Flächengewicht des Substrats aufgrund der Größe des der Lichtquelle zugeführten Stroms bestimmt wird.