Neue Infrarot-Feuchtemessung an der Papierbahn

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1 Papiererzeugung SpecialPapiererzeugung Messtechnischer Fortschritt mit dem MRP IR 2006 Neue Infrarot-Feuchtemessung an der Papierbahn Von Manfred Reusch und Dr. Wolfgang Hartig* Die Infrarot (IR)-Feuchtemessung an Papierbahnen hat eine lange Geschichte in der industriellen Messtechnik. Es ist wohlbekannt, dass Wasser im Bereich der Wellenlänge 1,93 μm Infrarotstrahlung absorbiert, und dass nach dem einfachen allgemeingültigen Absorptionsgesetz die Stärke der Absorption mit der Wassermenge im Messstrahl verknüpft ist. Die optischen Verhältnisse werden dadurch kompliziert, dass Wasser in einer Matrix aus einem Gemenge aus Fasern/Füllstoff eingebettet ist: Zunächst als Benetzung der Fasern/Füllstoffpartikel, dann als Füllung der Hohlräume im Papier. Diese Matrix bestimmt ganz signifikant die optischen Eigenschaften von Papier in Wellenlängenbereichen ober- und unterhalb der o.g. Absorptionsbande ohne Wasserabsorption. Auch hier muss gemessen werden, um die so genannte Referenzabsorption des Papiers zu ermitteln. Sehr schnell haben die Entwickler dieser Messtechnik erkannt, dass oberhalb der Wasserabsorption bei 1,93 μm bei Papier eine weitere Absorption im Bereich 2,1 μm zu beobachten ist. Diese entsteht durch die Zelluloseabsorption. An diesen zwei Absorptionsstellen kann die Flächenmasse Wasser bzw. Zellstoff bestimmt werden. Damit hat man, bis auf die Komponente Füllstoff, rein spektroskopisch ermittelt, zwei wichtige Informationen zu der Gesamtflächenmasse des Papiers. Richtig verrechnet erhält man direkt %-Feuchte. Eine zusätzliche Lutro- Flächengewichtseingabe z. B. aus einem radiometrischen Flächengewichtssensor ist nicht notwendig. Der Füllstoffgehalt, oder um in der Papiermachersprache zu bleiben, der Aschegehalt, muss als kleine Korrekturgröße bekannt sein. Diese Grundlagen der Papierspektroskopie führten in den vergangenen zwei Jahrzehnten zu den heute * MRP Automatisierungstechnik GmbH, Mayen; Dipl.-Ing. Manfred Reusch ist Geschäftsführer der MRP Automatisierungstechnik. Ein besonderer Dank gilt dem Bundesland Rheinland-Pfalz, welches dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt finanziell gefördert hat. Die Transmissionsmessung hat ihre Einsatzgrenzen, wenn die Lichtabschwächung bei der Durchstrahlung so stark wird, dass mit der verfügbaren Detektortechnologie die IR- Strahlung nicht mehr rauschfrei nachgewiesen werden kann. im Markt angebotenen so genannten Infrarot-Feuchtemesssytemen mit Mehrfiltertechnik. Der Ausdruck Mehrfiltertechnik bezieht sich dabei auf die Verwendung von einem Satz von Spektralfiltern, die das Papierspektrum in der Umgebung von und bei den beiden oben genannten Wellenlängen erfassen. Bei der optoelektronischen/-mechanischen Ausformung der Messsysteme haben sich die Entwickler viel Sinnreiches einfallen lassen. Es sind die unterschiedlichsten Systeme mit dieser spektroskopischen Messtechnik am Markt. Die Transmissionsmessung hat ihre Einsatzgrenzen Bei der Projektierung einer Online- Feuchtemessung mit dem Papiermacher tauchen immer wieder die Ausdrücke Transmissions- oder Remissionsmessung auf. Transmissionsmessung besagt dabei, dass das Infrarotlicht aus einer Sendereinheit das Papier über die volle Dicke durchstrahlt und man einen korrektern integralen Messwert auch bei Feuchteschichtung innerhalb der Papierbahn erhält. Diese Messung hat ihre Einsatzgrenzen, wenn die Lichtabschwächung bei der Durchstrahlung so stark wird, dass mit der verfügbaren Detektortechnologie die IR-Strahlung nicht mehr rauschfrei nachgewiesen werden kann. Dies geschieht, wenn das Flächengewicht zu hoch wird (Lichtabsorption durch die dominante Komponente Zellulose ), oder wenn das Papier den Stoff Ruß (bei Altpapier) oder Metallionen zur Einfärbung enthält. Die letzten beiden Anteile dämpfen das Infrarotlicht unspezifisch sehr stark und machen das Papier im infraroten Spektralbereich schwarz. Trotz dieser Abschwächung ist es gelungen, IR-Transmissionsmessungen bis zu 600 g/m² nachweislich realisiert zu haben. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mittels IR-Feuchtemessung ein breites Produktspektum abzudecken. Der Einsatz meist kostspieligerer Varianten wie der integralen Messung mittels Mikrowellendämpfung werden nur noch im Kartonbereich, im Nassbereich oder bei Verwendung von erhöhtem Rußinhalt notwendig. Als spektroskopische Alternative bleibt, wenn überhaupt, die Remissionsmessung. Dabei wird das Papier von einer Seite beleuchtet und das rückgestreute Licht im Empfänger gesammelt. Papier ist bekanntlich optisch ein sehr guter Lichtstreuer. Dies gilt sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Spektralbereich. Und weil das so ist, wird dabei nur die oberste Papierschicht mit einer Dicke von ca. 40 μm vom Sensor gesehen. Diese Schichtdicke entspricht etwa einem Flächengewicht von 25 g/m². Alle Papiermasse, die hinter dieser Schichtdicke liegt, wird vom Messsystem nicht mehr gesehen und wird damit auch messtechnisch nicht erfasst. Eine Remissionsmessung ist also immer verbunden mit einer extremen Betonung der Oberfläche. Dies bedeutet, die Reflexionsmessung ist dann eine Alternative wenn: aus der Papiermaschine an der Messstelle eine nahezu homogene Feuchteverteilung über die Papierdicke an der Messstelle angenommen werden kann; die Oberflächenfeuchte im Besonderen gesucht wird (z.b. am Glättzylinder); das Papiergewicht und die Opazität sehr gering sind und damit eine Vergrößerung des Signalrauschabstandes durch zweimaligesdurchdringen des Papiers mit einem rückwärtigen Reflektor möglich ist. Wenn diese Vorraussetzungen erfüllt sind, liefert die Reflexionsmessung stabile und repräsentative Messwerte. Mit dem Erfahrungshintergrund von über 25 Mannjahren in der IR- Feuchtemessung an Papierbahnen hat MRP in den vergangenen zwei Jahren ein Entwicklungsprogramm mit dem Ziel bearbeitet, ein IR- 44

2 PapiererzeugungSpecial Messsystem anzubieten, das in seiner Konstruktion optische, elektrooptische und elektronische Komponenten nach dem aktuellen Stand der Technik einsetzt. Darüber hinaus wurde ein mathematisches Messmodell zur Spektroskopie an Papier mit vier diskreten Wellenlängen entwickelt, das die Lichtabschwächung in dem benutzten Wellenlängenbereich von nahezu einer Oktave bis in deren nichtlinearen Bereich weit oberhalb von Flächengewichten von 200 g/m² hinein korrekt beschreibt. Bei der Hahnemühle FineArt GmbH in Dassel werden ungeleimte und geleimte Papiere im Flächengewichtsbereich von 60 bis 700 g/m² produziert. An diesen Papieren liegen mit dem MRP-System inzwischen sehr gute, stabile, reproduzierbare Ergebnisse zur lutro-feuchtemessung bei Flächengewichten bis zu 600 g/m² im Transmissionsbetrieb vor (gebleichter Zellstoff mit bis zu 14 % Füllstoff). Bei noch höherem Flächengewichten wird die eingestrahlte Lichtintensität um mehr als das fache (50 db) abgeschwächt. Damit befindet sie sich für die industrielle Messtechnik an der Nachweisgrenze. Hier müssen dann alternative Feuchtesensoren eingesetzt werden. Mehrkanal-Simultan-Spektrometer hat entscheidende Vorteile Unser IR-Messsystem besteht aus einem Sender- und einem Empfängereinheit, zwischen denen die Papierbahn in einer Traverse geführt wird. Die Sendereinheit enthält eine Lichtquelle, die über eine fokussierende Optik die Papierbahn beleuchtet. Über die Fokussierung wird die Dimension des Lichtfleckes in der Papierbahn gesteuert je nach Anforderung an die örtliche Auflösung der Messung. In der Empfängereinheit auf der anderen Seite der Papierbahn wird der beleuchtete Messfleck mit einem Objektiv in eine Bildebene verkleinert abgebildet. Im Fokus des Objektivs befindet sich die Eintrittsfläche einer speziellen Lichtleit-Faseroptik. Bestehend aus ca Einzelfasern, hier in der Bildebene noch in einer Fläche vereint, wird die Faseroptik in vier Teilbündel aufgeteilt. Die vier Teilbündel werden zu vier Spektralkanälen, indem deren Ausgangsflächen jeweils mit einer Kombination aus Spektral-Bandpassfilter und Infrarotdetektor abgeschlossen werden. Diese faseroptische Komponente ist das Herzstück des Messsystems. Es wird nach unseren sehr strengen Spezifikationen von einem namhaften deutschen Hersteller für Faseroptiken speziell gefertigt und ist bis 2,6 μm einsetzbar. So entsteht das, was der Techniker ein Mehrkanal-Simultan-Spektrometer nennt. Dieser Entwurf hat gegenüber bisherigen Systemen mindestens vier entscheidende Vorteile: Für eine schnelle saubere Papierspektroskopie ist es notwendig, dass die spektralen Informationen gleichzeitig bei allen Wellenlängen aus demselben Papierelement gewonnen werden. Dies läuft in der technischen Literatur unter dem Begriff same spot measurement, um es abzusetzen von der nicht simultanen Multiplextechnik des rotierenden Filterrades. Die spektrale Messung wird damit unabhängig von kleinflächigen Variationen, die unvermeidlich ja schon auf der Ebene der Papierformation vorhanden sind. Integrierende Zeitkonstanten in der Messwertverarbeitung können deswegen stark zurückgenommen werden und schon eine einzige schnelle Quertraversie- 45

3 SpecialPapiererzeugung rung des Messsystems zeigt nahezu das wahre Feuchtequerprofil. Durch die Brennweite des Objektivs und angepasste Blendendurchmesser in der Bildebene kann auf einfache Weise des Gesichtsfeld der Empfangsoptik kontrolliert werden. Dies wird dazu benutzt, um die Größe des tatsächlichen Messflecks in der Papierbahn und damit die örtliche Auflösung festzulegen. Dies ist wichtig für die Erzeugung eines hoch aufgelösten Querprofils. Messfleckbreiten bis nach 5 mm sind realisierbar. Andererseits ist manchmal bei feststehenden Sensoren ein möglichst breiter Messfleck gewünscht. Sobald das Infrarotlicht in der Faseroptik gefangen ist, hängt dessen Weiterleitung zu den Detektoren nur noch von faseroptischen Gesetzen ab. Durch eine fixierte Faserführung innerhalb des Messkopfes ist ein Passline-Effekt nicht mehr zu befürchten. Der Einfluss von Bahnwelligkeiten und Bahnflattern im Bereich der Traverse werden damit extrem gedämpft. Mittels der Möglichkeit zur nahezu beliebigen Verlängerung der Faseroptik können Feuchtemessungen innerhalb der Maschine an schwer zugänglichen Orten realisiert werden. Hierbei kann die Optik/Faseroptik an den Messort gebracht werden, die Elektronik kann in sicherer Entfernung installiert werden. Die vier einzelnen IR-Detektoren und die Spekralfilter werden in Ihrer Temperatur über thermoelektrische Kühler sehr sorgfältig auf Konstanz geregelt, die mehrkanalige Verstärkerelektronik ist hochempfindlich, stabil und rauscharm aufgebaut. Ein in die Empfangseinheit integrierter Mikroprozessor bereitet die Messsignale mit 16 bit Auflösung auf und übergibt die Messdaten über eine Profibus-Schnittstelle an ein übergeordnetes Qualitätsleitsystem (QLS). Eine schematische Darstellung des optomechanischen Systemaufbaus ist in Abb. 1 gezeigt. Abb.2 zeigt den kompakten Aufbau der Empfängereinheit ohne Gehäuse. Abb.1: Schema des optischen Layouts des Systems MRP IR Abb.2: Die Empfangseinheit ohne Gehäuse zeigt deren kompakten Aufbau. Jedes Messsystem wird zyklisch standardisiert Um den Einfluss von Temperaturänderungen, Komponentenalterungen und Verschmutzungen auf die Messsignale zu eliminieren, wird jedes Messsystem zyklisch standardisiert. Normalerweise geschieht dies periodisch neben der Bahn oder in der Garagenposition mit einer Messsituation offener Messspalt, bei der sich keine Papierbahn im Messsystem befindet. Bei der Entwicklung unseres neuen Messsystem wurde diesem Punkt besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Idealerweise sollte ein Standardisiernormal für ein Spektrometer in dem benutzten Wellenlängenbereich keinerlei spektrale Signaturen zeigen. Ansonsten müssten diese 1 Lampe (Transmission) 2 Spiegel 3 Objektiv 4 Motor mit Chopperrad 5 Lichtwellen-Optik 6 Spektralfilter + Detektor 7 Auswerteelektronik 8 Standardisiernormal 9 Linse 10 Lampe (Remission) in der Systemkalibrierung berücksichtigt werden, was es tunlichst zu vermeiden gilt. Auch sollte es die Signalpegel soweit abschwächen/simulieren, wie es der Messsituation mit Papier entspricht. Außerdem muss das Standardisiernormal thermisch stabil sein und es darf keinen Alterungseffekten unterliegen. Wir haben eine solche Komponente entwickelt, die geschützt innerhalb der Sendereinheit unmittelbar unter dem Messkopffenster, in den Messstrahl einschwenkbar, untergebracht ist. Diese Komponente kann sowohl im Transmissionsmodus als Abschwächer als auch im Remissionsmodus als Reflektor benutzt werden. Aus unserer beschriebenen Empfangseinheit wird ein Messsystem für Remissionsmessung, indem dort eine kleine Lichtquelle mit fokussierender Optik zusätzlich eingebaut wird. Diese Erweiterung enthält keine sonstigen Änderungen an dem optischen Empfangssystem. Die Sendereinheit enthält dann natürlich keine Lichtquelle mehr und wird zu einer Reflektoreinheit. An vier Wellenlängen, die nahezu eine Oktave umspannen, wird mit schmalbandigen Interferenzfiltern das Absorptionsspektrum des feuchten Papiers aufgenommen. Zwei Filter die so genannten Messfilter liegen über den Absorptionsbanden von Wasser bzw. Zellulose. Zwei weitere Filter die so genannten Re- 46

4 PapiererzeugungSpecial ferenzfilter liegen außerhalb dieser Absorptionsbanden und nehmen das reine Dämpfungsspektrum der Matrix Fasern/Füllstoff /Wasser auf. In einem mathematischen Messmodell für die vier Messsignale wird die Information aus den zwei Referenzwellenlängen bis weit in die stark nichtlineare Absorption bei den beiden Messwellenlängen hinein spektralanalytisch korrekt extrapoliert. Dieses Messmodell erlaubt es dann, die Absorptionen allein aus Wasser bzw. Zellulose quantitativ exakt zu bestimmen. Da diese über ein exaktes Absorptionsgesetz mit der Flächenmasse Wasser bzw. Zellulose verknüpft sind, ist es dann ein einfacher Schritt, die %-Feuchte des Papiers zu errechnen. Dieses neuartige Messmodell vereinfacht die Kalibrierung des Messsystems ganz erheblich. Das Messsystem ist ab Werk kalibriert, eine Feineinstellung der Kalibrierung erfolgt am Installationsort allein über einen Span-Wert; die Abb.3: Querprofile für lutro-flächengewicht und Feuchte aus einer Produktionslinie. korrekte Nullsetzung des Zero-Wertes ist durch unser neuartiges Messmodell gewährleistet. Innerhalb eines QLS ist der neue Sensor zusammen mit Sensoren für Flächengewicht, Aschegehalt und Dicke an der PM 2 bei Hahnemühle FineArt in Dassel installiert. Die Abb. 3 zeigt Querprofile für das lutro-flächengewicht und die Feuchte aus laufender Produktion. An dieser PM wird das Papier hinter der Trockenpartie mit einem System der 47

5 SpecialPapiererzeugung Rotorenfeuchtung rückgefeuchtet. Der Sollwert für das Flächengewicht ist in diesem Fall 398 g/m², die Arbeitsbreite beträgt 104 cm. Das Feuchtequerprofil zeigt eine schwach ausgeprägte periodische Struktur. Dieses spiegelt die periodische mechanische Struktur der rotierenden Räder wieder. Die Messstelle ist ca. 8 m Bahnlänge hinter der Rückfeuchtung installiert. Während der Transportzeit ist das Wegschlagen des Wassers in die trockene Bahn zeitlich noch nicht vollständig abgeschlossen. Das Feuchteprofil zeigt deswegen noch die leichte, periodische Variation in der Dichte des integralen Sprühfächers. Diese Rest- Inhomogenität ist nur von der Größe ± 0,1 % Feuchte, wie man aus der vertikalen Skalierung und dem 2-Sigma-Wert entnehmen kann. Sie wird aber von dem neuen Messsystem mit einer Auflösung von 0,02 % Feuchte klar und reproduzierbar erkannt. Selbstverständlich wird nach einer gewissen Reifungszeit das Feuchtequerprofil flach werden. Diese Daten demonstrieren eindeutig den messtechnischen Fortschritt, den das neuartige Messsystem zur Papierfeuchte auch bei hohen Flächengewichten ermöglicht. In jeder Papier- und Kartonmaschinen befindet sich ein Qualitätsleitsystem, welches die wichtigsten Qualitätsmerkmale während des Produktionsprozesses bzw. an dem Fertigprodukt bestimmt. Hierbei ist die Feuchte, gemessen an den verschiedenen Orten entlang des Produktionslinie, ein wesentlicher Qualitätsparameter. An einen Feuchtesensor werden die vielfältigsten Anforderungen gestellt. Bei den meist widrigen Umweltbedingungen am Installationsort (Schmutz, Temperatur, Luftfeuchte...) gilt es, schnelle, genaue und reproduzierbare Messwerte zu erhalten. Die MRP Automatisierungstechnik GmbH, ein Unternehmen, deren Entwickler aus der traditionsreichen ehemaligen Firma Paul Lippke entstammen, hat in den letzten zwei Jahren u.a. einen Feuchtesensor entwickelt, der nachweislich diese Anforderungen erfüllt. Beim MRP IR 2006 sind jahrzehntelange Erfahrungen im Bau von Sensoren mittels Infrarottechnik eingeflossen. Die wesentlichen Vorteile des MRP- Sensors sind: schnelle und genaue same spot Messung, applikationsabhängig einstellbare Messfleckgröße/Ortsauflösung, Unempfindlichkeit gegenüber Bahnflattern, feststehende Messungen können an schwer zugänglichen Orten und unter widrigsten Uweltbedingungen erfolgen, Messung der Oberflächenfeuchte und der kompletten Feuchte mit einem Messgerät, Messung der durchdringenden Feuchte bis zu Flächengewichten von 600 g/m² möglich. Zusammenfassung 48