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Berührungsloser Dickesensor schwebt über den - Polyscope

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BERÜHRUNGSLOSE MESSUNG
www.polyscope.ch
SENSORIK
Papierdicke im Herstellungsprozess messen
Berührungsloser Dickesensor
schwebt über den Papierbahnen
Die Papierindustrie ist seit Langem auf der Suche nach einem ebenso präzisen
wie zuverlässigen Dickesensor. Eine nicht laserbasierte optische
Messmethode verspricht eine Leistungsverbesserung gegenüber anderen
Online-Papierdickesensoren.
» Anthony Byatt
Sensor hat sich als Standard in der Branche
etabliert und ist mittlerweile an über 1000
Papiermaschinen im Einsatz.
Allerdings kann die Berührung der Gleiter
zu Qualitätsproblemen führen: beschichtetes
Papier kann zerkratzt werden, Schmutz aus
Recyclingpapier oder nicht feste Beschichtungen können sich an den Gleitern anlagern
und zu verfälschten Messwerten führen,
Klumpen im Papier, die zwischen den Gleitern hindurchrauschen, können die Gleiter
beschädigen oder das Papier zerreissen. Beim
optischen OC-Dickesensor (Optical Caliper) ist
dies nicht der Fall.
Schauen, aber nicht berühren
Unter dem Mikroskop betrachtet gleicht die Papieroberfläche den Schweizer Alpen
ABB hat genau so einen Sensor entwickelt,
der es Papierherstellern ermöglicht, auch bei
den schwierigsten Papiersorten einen ihrer
wichtigsten Parameter zu messen, und der
die Leistungsfähigkeit aller anderen optischen
Dickesensoren in puncto Genauigkeit, Auflösung und Zuverlässigkeit übertrifft.
Die Bezeichnung «Papierdicke» kann irreführend sein, wenn man bedenkt, dass einige
Papiersorten unter dem Mikroskop betrachtet
ein Profil wie die Schweizer Alpen aufweisen.
Bei der Messung der Papierdicke im Labor
werden die Erhöhungen durch ein Standardgewicht leicht heruntergedrückt, und die
resultierende Dicke ist die Papierdicke. Die
Papierdicke ist ein unentbehrliches Mass für
nahezu jeden Papierhersteller.
Polyscope 11/09
Sensorgleiter fährt bergauf Ski
Bei den meisten Online-Dickesensoren wird
das Papier zwischen zwei skiähnliche Gleiter
«geklemmt». Ein magnetischer Entfernungssensor in einem der Gleiter misst die Entfernung zwischen den Gleitern und liefert somit
ein Mass für die Blattdicke.
Das derzeitige Spitzenmodell von ABB, der
GT-Dickesensor (Gliding Technology), basiert
auf diesem einfachen Prinzip, obwohl viele
Jahre technischer Finesse in die Verfeinerung
der Materialien und die Reduzierung des Auflagegewichts der Gleiter geflossen sind. Auf
diese Weise lässt sich die Dicke einer 10 m
breiten Papierbahn bei einer Laufgeschwindigkeit von 120 km/h auf weniger als 1 µm
genau messen. Dieser beidseitig berührende
Die Idee, die Papierdicke zu messen, ohne das
Papier zu berühren, ist nicht neu. Tatsächlich
hat ABB bereits 1970 als erstes Unternehmen
eine luftgelagerte Lösung entwickelt. Auch
Lasertriangulationsverfahren schienen vielversprechend, erwiesen sich jedoch als fehleranfällig aufgrund von Instabilitäten bei
schnell laufenden Papierbahnen, Neigungseffekten durch Unebenheit, Sensorausrich-
Die Abtastfläche des optischen
Sensors beträgt nur 12 µm
tungsproblemen, Oberflächentopografieeffekten und nicht zuletzt durch das Eindringen
des Laserstrahls in den halb lichtdurchlässigen Papierkörper («Leuchtkugeleffekt»). Diese Probleme standen einem Markterfolg
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SENSORIK
BERÜHRUNGSLOSE MESSUNG
von Sensoren auf der Basis der Lasertriangulation im Weg. Grund genug für ABB, das
Potenzial von Technologien aus anderen
Branchen zu untersuchen. Besonderes Interesse weckte dabei eine konfokale optische
Inspektionsmethode.
Sensorkern aus dem Katalog
Eine genauere Untersuchung ergab, dass sich
das Verfahren tatsächlich für den gewünschten Zweck einsetzen liess. Darüber hinaus gab
es kommerziell erhältliche optische Geräte, die
für den Sensorkern verwendet werden konnten. Die optische, nicht laserbasierte Inspektionsmethode wurde erfolgreich im Labor getestet, doch es blieb die Frage, wie sich das
System unter den rauen Bedingungen in einer
Papierfabrik mit hochfrequenten Schwingungen weit ausserhalb des feinen Messbereichs
von wenigen Mikrometern bewähren würde.
Anfang 2008 wurden in Japan Feldtests an
einer grossen neuen Papiermaschine durchgeführt, die zur Herstellung von leichtgewichtigen, gestrichenen und hochsatinierten Papieren mit hoher Geschwindigkeit ausgelegt
war. Die Messwerte des optischen Sensors
stimmten über die gesamte Maschinenbreite
von 9,5 m auf ± 0,5 µm mit denen der berührenden Sensoren überein. Ausserdem lieferte
die optische Messung genauere Einzelheiten
zu kleineren Schwankungen der Maschine.
Während ein berührender Sensor eine Abtastfläche von 1 bis 2 cm besitzt, beträgt diese
beim optischen Sensor nur 12 µm!
Vom Prototypen zum Produkt
Nach den erfolgreichen Tests in Japan war
noch viel Arbeit zur Produktisierung und Optimierung des Sensors erforderlich. Wieder
einmal erwies sich das alte Sprichwort von
«5 Prozent Inspiration und 95 Prozent Transpiration» als zutreffend. Eine grosse Herausforderung bestand darin, die Mikrometergenauigkeit des Sensors auch an einer grossen
Stahlkonstruktion sicherzustellen, die sich
von Zimmertemperatur auf 80 °C erwärmt
und entsprechend ausdehnt.
Das Produkt wurde im März anlässlich
der Konferenz «Automation and Power World
2009» in Orlando, Florida, vorgestellt.
Vergleich zwischen dem GT-Dickesensor und dem optischen Sensor (OC) an leichtgewichtigem,
doppelseitig gestrichenem Papier. Was so aussieht wie Rauschen, ist tatsächlich ein präzises Profil
der Papieroberfläche
Hochauflösende Oberflächenprofildarstellung eines 80-g/m²-Kopierpapiers mit der optischen
Dickesensortechnologie
Leistungsfähigkeit
des optischen
Dickesensors von ABB
bei verschiedenen
Papiersorten
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Infoservice
Anthony Byatt
ABB Pulp and Paper QCS CoE
Dundalk, Irland
anthony.byatt@ie.abb.com
Polyscope 11/09
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