poro vision control f�r laufende Papierbahnen

Sun, 21 Oct 2007 18:36:16 +0100

Optische online Permeabilität, Porositätsmessung, Vision control

Copyright : Werner Grosse

Da naturporöse oder zu perforierende Bahnmaterialien mit Bahngeschwindigkeiten bis zu 600 m/min und in Bahnbreiten bis zu 2000 mm sich bewegen, gestaltet sich eine pneumatische, also bahn berührende Porositätsmessung, exorbitant schwierig. Hinzukommend sind diese Messmethoden mit Nachteilen der Bahnzugserhöhung, des Materialabriebs, Faltenbildung, Undichtigkeit im Messkopfbereich, starken Verschmutzungen, Nichtlinearitäten und Schwierigkeiten stets verbunden.

Daher bieten sich optische Messverfahren zur Transmissionsmessung als Funktion der pneumatisch, statischen Gasdurchlässigkeit für naturporöse oder Nano, Mikro bzw. Makro perforierte Bahnen an. Dabei sind die gestellten Anforderungen aufgrund der eingangs genannten Produktverarbeitung und online Kontrolle, extrem kleinen geometrischen Porenabmessungen, relativ hohen Bahngeschwindigkeiten und guter Messwertreproduktion mit der optischen Porositätsmesstechnik in idealer Weise zu lösen.

Hierzu hat IPM eine Reihe neuer, patenangemeldeter optischer Messverfahren und Systeme in stationärer oder traversierender Ausführung als OPSS-1 und OPRL-1, entwickelt, weltweit im Markt eingeführt und mit der DE 10251610 sowie auch in China zur Patentanmeldung geführt.

Porositätsmessbereiche bewegen sich von 80 C.U. bis 5000 C.U. mit Multicolor Sensoren, Perforationslochreihenerfassungen mit Auflösungen < 0.1 mm mit Präzisionslinienlaser, Scanning Speeds von 20 bis zum 300 mm/Sek., intelligente Multicontroller Elektronik im Sensorkopf, high-speed RS-232 Link sowie Auswerteeinheiten sichern die qualitative, quantitative online Kontrolle nach ISO 9001/9002 an verschiedenen Produktionsmaschinen.

IPM hat verschiedene laser- und elektrostatische Perforationsverfahren, insbesondere auch für neue Produkteigenschaften, entwickelt, deren Systeme und Produktionsmaschinen weltweit im Einsatz sind.

Zukunftsperspektiven

Die elektrostatische ESP Nano- oder Mikroperforation findet vorzugsweise ihre Anwendung in Bereichen der Veredelung von Feinpapieren, Verpackungsbahnen, Vliesstoffen, Non-Woven, Filter-, Sack- oder Kraft- sowie Spezialpapiere verschiedenster Art, insbesondere bei der zusätzlichen Behandlung von Bahnmaterialien zur Erzielung besonderer Eigenschaften, welche aus physikalischen oder prozesstechnischen Gründen NICHT mit anderen Verfahrenstechniken erreichbar sind.

Die state-of-the-art, industrietaugliche und im Dreischichtbetrieb zuverlässig arbeitende ESP Perforationstechnik, deren Integrationsmöglichkeit in vorhandene Umroller- oder sonstige Bahnlaufanlagen sowie auch als völlig eigenständig arbeitende Perforationsmaschinen möglich sind, wird zukünftig neue Anwendungsbereiche erschließen und Produkte mit besonderen Eigenschaften entstehen lassen.

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optische online Porositätsmessung an laufenden Papierbahnen
publiziert im Fachmagazin Sensor Report 1/1993

Copyright : Werner Grosse

1.0 Einleitung
Für verschiedene Anwendungsbereiche werden bahnförmige Materialien wie Zigaretten-, Mundstückbelag-, Filterpapierpapiere, Vliesstoffe oder auch Kunststoffe mittels elektro- statischer Funkenstrecken mikro- oder durch fokussierte Laserstrahlen makroperforiert. Die nach außen nicht sichtbaren Perforationen können flächen- wie auch zonenförmig innerhalb der Bahn angeordnet sein, wobei die Lochgrößen 10 - 40 µm und respektive 50 - 80 µm für Laserperforationen betragen . Flächenperforationen können Lochdichten bis zu 1 Mio./Poren pro m² generieren und Zonenanordnungen, deren Breite 2 - 8 mm beträgt, in der Regel bis 300 Löcher/ mm² erreichen.
Da die zu perforierenden und dünnen Bahnmaterialien mit hohen Geschwindigkeiten bis zu 15 m/sek. an mehrspurigen Perforationsmaschinen laufen, sind die Anforderungen an die benötigten Porositätsmeßsysteme außerordentlich hoch. Das opto elektronische Porositätsmesssystem erfüllt die gestellten Messanforderungen in idealer Weise.
Darüber hinaus bietet diese Meßsystemtechnik auch die Möglichkeit, nicht nur eine perforierte Zone stationär und kontinuierlich zu messen, sondern auch als rechnergeführtes Traversiersystem bis zu 50 sequentiell nebeneinander angeordnete Perforationszonen einer bis zu 2000 mm breiten Bahn automatisiert zu detektieren und Messwert gerecht auszugeben.
Ein zukünftiger Systemeinsatz zur Porositätsmessung von Flächenperforationen und zur optischen Permeabilität Überwachung von nicht perforierten, schmalen Bobienen- und auch Breitbahnen bis zu 2000 mm ist ebenfalls möglich.

2.0 Meßsystemaufbau
Das opto elektronische Porositätsmeßsystem ( s. Abb.1 und 2 ) besteht im wesentlichen aus den Grundkomponenten :

Halogen-Kaltlichtquelle und Lichtwellenleiter LWL
LWL Zuführung und Strahlaufweitung
Sensorgehäuse mit Linsensystem
Fotodiodenarray und elektrischen Signalverarbeitung

Unterhalb der zu messenden Bahn befindet sich die Perforationszonen separierte Lichtquellenzuführung, welche zur Strahlaufweitung und zum Fremdlichtschutz tubusförmig ausgebildet ist. Das Sensorgehäuse ist unsymmetrisch zur optischen Achse aufgebaut und befindet sich oberhalb der längs durchlaufenden Bahn. Beide Grundkomponenten sind mechanisch fest mit einem speziellen Haltewinkel so zueinander angeordnet, dass sich ein lichter Messspalt, je nach Messapplikation, von 3 bis 5 mm ergibt. Die eigentliche Messkopfaufnahme ist den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten der Perforations- oder Verarbeitungsmaschine anpassbar und mittels Standard Führungsstangen an deren Maschinenrahmen so zu befestigen, dass die gesamte Messeinrichtung mit ihrer optischen Achse auf die jeweilige Perforationszone mittig ausricht- und fixierbar ist.

Abb. 2 zeigt die Meßsystemanordnung für einen zweispurigen Bobienenstreifen.

Das Sensorgehäuse beinhaltet alle opto elektronischen Komponenten einschließlich der elektrischen Echtzeitsignalaufbereitung. Über einen mehrpoligen Stecker und von außen zugänglichen Spindelpotis wird das Meßsystem vom Hersteller kalibriert. Ein weiterer Stecker dient der externen Spannungsversorgung von +/- 15 V und der vierkanaligen, analogen Messsignalausgabe. In einer zukünftigen Systemausführung erfolgt die Messwertdigitalisierung und automatisierte Kalibrierung über ein integriertes real time Hochgeschwindigkeits-Messwerterfassungssystem und digitaler Datenübertragung zum übergeordneten Rechner.

3.0 Funktionsweise
Prinzipiell arbeiten opto elektronische Porositätsmeßsysteme für perforierte Zonen oder naturporöse Papierbahnen auf Basis der optischen Transmission als Funktion der pneumatischen Gasdurchlässigkeit nach der Gleichung:

(1) Xpneu = a + b * Xopt.
Xpneu = pneumatische Luftdurchlässigkeit
Xopt. = optische Transmission und Korrelation zur Luftdurchlässigkeit

Hierbei bestimmt a den Anfangspunkt und b die Steigung der Funktionsgleichung.

Zur Unterdrückung der materialspezifischen und sich permanent ändernden optischen Eigenschaften des Rohmateriales besitzt das System eine duale Streulichterfassung, die eine moderate Echtzeitkompensation der unterschiedlichen Bahnmaterialien gewährleistet .
Wie aus Abb. 1 und 2 zu sehen ist, projektiert die Halogen Kaltlichtquelle über den LWL einen ca. 25 mm großen Weißlichtkreis mit homogener Ausleuchtung unterhalb der zumessenden Perforationszone. Ein optisches Linsensystem auf der Bahnoberseite bildet die jeweiligen Lichtanteile, die direkt durch die Perforationszone transmittiert und deren achsferneren links und rechts neben der Zone und den Perforationslöchern durchtretenden Streulichtanteile auf die zugehörigen Fotodioden- Elemente, ab. Die elektrische Eingangsschaltung ist mit schnellen, selektierten und rauscharmen QUAD-J-FET-OP's temperaturkompensiert aufgebaut und verstärkt die unterschiedlich detektierten Lichtanteile nach Lage und Betrag, so dass eine echtzeitfähige Untergrundkompensation als Differenzbildung zum eigentlichen Nutzsignal stattfindet.
Die durch den optischen Aufbau und deren Komponenten verursachten Streuungen der Lichtanteile und Intensitäten werden durch die vom Hersteller ausgeführte Erstkalibrierung kompensatorisch berücksichtigt und sind langzeitlich als konstante Größe anzusehen.
Durch die Verwendung von Weißlicht und applikationsspezifisch angepasstem Wellenlängen Bereich haben die Streuungen der Mikrolöcher im Durchmesser von 10 - 80 µm nach der jeweiligen Kalibrierung und Korrelation keinen signifikanten Einfluss auf die Messergebnisse.

4.0 Einflussgrößen
Bedingt durch das physikalische Arbeitsprinzip der optischen Transmissionsmessung als Funktion der pneumatischen Gasdurchlässigkeit der perforierten Bahnmaterialien nach Gleichung (1) haben folgende Faktoren einen grundsätzlichen Einfluss auf das Porositätsmessergebnis :

Perforationszonenbreiten
Lochgröße und deren Form
Lochdichte und deren Verteilungen
Lichtintensität, Lichtart und die Wellenlänge

Es ist festzustellen, dass bei höheren Lochdichten und gleicher Porositätslage im Vergleich der elektrostatischen Mikro- zur Laser-Makroperforation stärkere Funktionskrümmungen auftreten, die grundsätzlich mit der optischen Beugung bei der Durchlässigkeit Detektion im Zusammenhang stehen. Bei Änderung der Lochgröße und konstanter Gesamtperforationslochfläche bleibt in erster Nährung der optische Porositätsmesswert konstant, während die pneumatische Gasdurchlässigkeit exponentiell ansteigt. In zweiter Nährung liegen die fundamentalen Ursachen für diese nichtlinearen Zusammenhänge in den komplexen Detektion Verhältnissen der optischen Beugung und Streustrahlung durch achsfernere Lichtstrahlanteile.
Durch langjährige Erfahrungen konnten mit einem optimierten optischen Messkopfaufbau und deren Strahlenführung, die Lichtquelleneinrichtung sowie deren LWL Zuführung und applikationsspezifischer Einstellung von Lichtintensität und Wellenlänge den dargelegten Einflüssen entgegengewirkt und in weiten Messbereichen auch linear werden.

Abb. 3 dokumentiert die optimierten Linearisierungen dieses Meßsystems ganz deutlich.

Für den Anwender sind je nach Messanwendung, die gewünschten Verhältnisse von außen einstellbar, so dass keine weiteren Kalibrierungen des opto elektronischen Porositäts- Messsystems notwendig sind.
Verschiedene Grundlagenuntersuchungen mit CCD Bildwandlersystemen zur alternativen opto elektronischen Porositätsmessung haben gezeigt, dass ein vergleichbares Messergebnis unter Berücksichtigung aller genannten Einflussfaktoren gegenüber diesem System nicht erreichbar ist.

5.0 Zusammenfassung der Systemvorteile
echtzeitausgeführte opto elektronische Transmissionsmessung von zonen-, unperforierten oder naturporösen Papier- oder anderen Materialbahnen der genannten Art.
Porositätsmessungen von Flächenperforationen sind zukünftig ebenfalls möglich.
Halogen-Kaltlichtquelle mit LWL Zuführung und Fremdlichtschutz zum Messkopf, separates Sensorgehäuse mit integriertem optischen Linsensystem, Fotodiodenarray und elektronischer Signalaufbereitung innerhalb des Messkopfes.
implementierte Streulicht Detektion zur automatischen Kompensation von : Materialdicke, Dichte, Struktur, Formation, Pin-holes, Farbaufträgen, Farbpigmente, Rauhigkeiten
integrierte Temperaturkompensation und Rauschunterdrückung durch selektierte QUAD-J-FET-OP's
herstellerausgeführte Systemkalibrierung und moderater Signal-Überwachung der Licht- Quellenfunktion
fremdlichtgeschützte Aktivmessfläche von 100 mm²
großer Messspalt von 3.0 - 5.0 mm ( applikationsabhängig )
Porositätsmessbereich von 15 - 500 Ltr./h ( Borg./4cm ) bzw. 60-2000 Coresta (C.U.)
hohe Messauflösung von < +/- 2 Ltr./h ( 15 - 200 Ltr./h ), < +/- 4 Ltr./h ( ....... 500 Ltr./h )
< 8 Coresta ( 60 - 850 Coresta ), < 16 Coresta ( ....... 2100 Coresta )
Perforationszonenmessbereich von 1.0 - 8.0 mm
Bahndickenbereich von 10 - 250 µm bei Flächengewichten von 10 - 250 g/m²
räumlich abgesetzte und wartungsfreie Halogen-Kaltlichtquelle 220V/60Hz/150W
elektrisch stabilisiert und intensitätseinstellbar
dämpfungsarme, mechanisch robuste und EMV sichere Lichtquellenzuführung über LWL bis zu einer Länge von 5000 m
applikationsspezifischer Wellenlängenbereich von 300 - 700 nm
Lichtintensitätseinstellbereich bis 4.2 Mio. Lux
extrem hohe Lampenlebensdauer bis zu 2000 Std.
Messbereichslinearität von +/- 2 % ( definierter Bereich )
hohe Ansprechempfindlichkeit von < 100 µs low
low Impedanz, vierkanalige Ausgangspannung bis 5V oder 10 V
kleine Messkopfabmessungen und geringes Gewicht
staubdichte Kapselung nach Schutzart IP 65
Temperaturbereich von 0 - 70 °C

6.0 Applikationsmöglichkeiten
Damit die weiter steigenden Qualitäts- und Ausschussminderungsforderungen und den damit verbundenen erhöhten Produktionsvoraussetzungen bei der Perforation von bahnförmigen Materialien auch zukünftig erfüllbar bleiben, sind im zunehmenden Maße durch gezielten Einsatz von Opto- und Mikroelektronik weitere Automatisierungen und Produkt Zertifizierungen an diesen Anlagensystemen notwendig. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung lässt sich mit dem neuen opto elektronischen Porositätsmeßsystem als online Ausführung in idealer Weise erfüllen. Dies zeigen die bisherigen praktischen Produktionseinsätze dieser Meßsysteme.
Als automatisiert eingebundenes Istwerterfassungssystem im geschlossenen Regelkreis ist die Porosität der Perforations- Maschine auch bei sehr hohen Bahngeschwindigkeiten bis zu 15 m/sek. in engen Grenzen konstant zu halten. Mittels Rechnerunterstützung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, weitere Messwertverarbeitungen und statistische Datenaufbereitungen durchzuführen.
Für breite Bahnmaterialien ist ein computergesteuerter, traversierender Multikanal- Porositätsmeßsystembetrieb für bis zu 50 Perforationszonen oder mehr eine technisch und auch wirtschaftlich eine erstklassige Lösung. Die zeigen die bisherigen praktischen Einsätze solcher Systeme. Auch in diesem Applikationsbereich ist das opto elektronische Meßsystem den bisherigen bahn berührenden und damit verbundenen Nachteilen der pneumatischen Systeme vorteilhaft ein zusetzten.

7.0 Anwendungsgebiete
Zonen- oder lochreihenperforierte Zigaretten- oder Mundstückbelag- und Tipping Papiere
groß flächenperforierte und optisch durchlässige Filterpapiere, Vliesstoffe,
Spezialpapiere, Kunststofffolien oder Filme bis zu Bahnbreiten von 2000 mm
Defekt Detektion von optisch durchlässigen, unperforierten Bahnmaterialien
Opazitätsmessungen von unperforierten aber optisch durchlässigen
Bahnmaterialien wie : Zigaretten-, Filter- und Spezialpapiere

8.0 Zukunftsperspektiven
Mit dem entwickelten opto elektronischen Porositätsmesssystem sind zukünftig die Produkt- Hersteller und Verarbeiter von perforierten Bahnmaterialien in der Lage, ihre Produktqualität kontinuierlich zu überwachen und in engen Grenzen konstant zuhalten. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch Computersysteme de- oder auch zentrale Messdatenerfassungen für diese Produktionsanlagen aufzubauen.
Ein weiteres Anwendungsfeld ist die optische Durchlässigkeitsmessung (Permeabilitätsmessung) für verschiedene online Opazitäts- oder Defekt Detektionsmessungen, wie sie von mehren Anlagenbetreibern gewünscht werden. Auf Basis der bisherigen optischen Systemausführung werden weitere Entwicklungsschritte zu einer Messkopf implementierten Datenerfassung, Messwert Vorverarbeitung und digitaler Schnittstellendatenübertragung folgen.

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