WeiterentWicklung der domas-module zur „Formation“ Für ......Forschungsprojekt Nr. IW070117/B....

Forschung beratung messtechnik Weiterbildung

Pts-ForschungsberichtWeiterentWicklung der domas-module zur „Formation“ Für labor, PrüFstrasse und online-messung

Forschungsprojekt Nr. IW070117/B. Zimmermann 1 (18)

Papiertechnische Stiftung www.ptspaper.de Forschungsbericht

Titel Weiterentwicklung der DOMAS-Module zur „Formation“ für Labor, Prüfstraße und Online-Messung Björn Zimmermann Inhalt

1 Zusammenfassung.................................................................................................................. 2

2 Abstract .................................................................................................................................... 3

3 Einleitung.................................................................................................................................. 4

4 Bewertung der Formation....................................................................................................... 6 4.1 Visuelle Bewertung .................................................................................................................... 6 4.2 Messtechnische Bewertung....................................................................................................... 6 4.3 Verfügbare Labormesstechnik................................................................................................... 8 4.4 Verfügbare Online-Messtechnik ................................................................................................ 9

5 Standardvorschlag zur Formationsmessung..................................................................... 10

6 Konzeption und Realisierung des Messsystems............................................................... 12

7 Ergebnisse der Formationsbewertungen ........................................................................... 13

8 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung............................................................................................ 17



1 Zusammenfassung

Thema Weiterentwicklung der DOMAS-Module zur „Formation“ für Labor, Prüfstraße und Online-Messung.

Ziel des Projektes

Das Ziel des Forschungsprojektes der PTS war die Entwicklung eines modularen Online-Formationsmesssystems für den Einsatz in klein- und mittelständischen Papierfabriken.

Das System bzw. seine Komponenten sollten in gleicher Weise im Labor, in Prüfstraßen und online an der Papiermaschine einsetzbar sein und zu unterein-ander vergleichbaren und normierten Bewertungen führen.

Des Weiteren sollte im Rahmen dieses Projektes ein Standardisierungsvor-schlag für die Online-Formationsbestimmung erarbeitet werden.

Durchführung Im Rahmen des Projektes wurden die existierenden Algorithmen hinsichtlich ihrer Eignung für eine standardisierte Formationsbewertung untersucht. Aufbauend auf dieser Analyse wurde ein Vorschlag für eine Standardisierung formuliert.

Des Weiteren wurde auch ein Messsystem konzipiert, gebaut und unter realen Einsatzbedingungen getestet.

Ergebnisse Der erarbeitete Standardvorschlag findet bei Messtechnik- und Papierherstellern Zustimmung und wird in Zukunft zu einem Zellcheming-Merkblatt für die Online-Formationsbewertung formuliert werden.

Das Messsystem wurde realisiert und kann nach geringfügigen Anpassungen online oder im Labor verwendet werden.

Schluss-folgerungen

Eine standardisierte Formationsbewertung kann in Zukunft dafür sorgen, dass die Formation eine transparente Qualitätseigenschaft wird. Außerdem bietet sie den Papierherstellern die Möglichkeit, die Formationswerte als Regelgrößen in die Prozessleitsysteme einzubinden und dadurch eine verbesserte Prozess-sicherheit zu erreichen.

Danksagung Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens IW 070117 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung, Entwicklung und Innovation in kleinen und mittleren Unternehmen und externen Industriefor-schungseinrichtungen in den neuen Bundesländern" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über den Projektträ-ger EuroNorm GmbH gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbereitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.



2 Abstract

Theme Further development of the DOMAS formation module for the laboratory, auto-mated testing systems and online measurements

Project objective The objective of this PTS research project was the optimisation of the existing formation systems. It should build up a basis for an industrial standard algorithm which can be applied to different hardware systems.

The system or its components should be used in the same way in the laboratory, in automated testing systems and online in the paper machine. The formation results should be comparable and independent from the testing device.

Procedure During the project the existing formation algorithms were analyzed to decide if they are applicable for a standardized formation evaluation. As a result a pro-posal for an online formation measurement was elaborated.

Furthermore a measuring system was designed, built and tested in real mill conditions.

Results The standardization proposal has been accepted by paper producers and measuring equipment manufacturers and will be published as a Zellcheming Leaflet.

The measuring system was realized and can be used after small adjustments in the laboratory or online in the paper machine.

Conclusion By measuring the paper formation according to a standard this paper property can become a transparent quality property. Furthermore paper makers gain the opportunity to use the formation values as control variables in the process control system and thereby reach higher process stability.

Acknowledge-ment

The research project IW 070117 was funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi in the programme for the "Promotion of Research, Development and Innovation in Small and Medium-sized Enterprises and External Industrial Research Institutions in the New German Countries" and carried out under the umbrella of EuroNorm in Berlin. We would like to express our warm gratitude for this support.

We would also like to express our thanks to the involved companies for providing proper samples as well as for supporting project performance.



3 Einleitung

Bedeutung der Formation

Eine hohe Gleichmäßigkeit der Masseverteilung (Fasern und andere Papier-bestandteile) im Papier ist eine der wichtigsten Zielstellungen des Papierherstel-lungsprozesses. Der Papiertechniker spricht bei der Beurteilung der Papier-gleichmäßigkeit meist von Formation oder Wolkigkeit.

Bestimmung der Formation

Eine direkte Messung der partiellen Schwankung der Masse (flächenbezogene Masse) von Papier ist nicht ohne weiteres möglich. Aus diesem Grunde wird allgemein auf indirekte Messmethoden, wie

• Lichttransmission oder • Transmission radiometrischer Strahlung

zurück gegriffen. Infolge verschiedener Aspekte, wie Kosten, sicherheitstechni-sche Fragen u. a., hat die lichttechnische Bewertung der Blattformation eine weite Verbreitung gefunden. Die einfachste Art dieser Beurteilung ist die visuelle Betrachtung des Papiers im Durchlicht. Hierbei spielt jedoch der subjektive Einfluss des Beurteilenden eine wichtige Rolle, so dass allgemein auf objektivere Methoden der Formationsbewertung orientiert wird.

Beeinflussung der Formations-bestimmung

Die Ergebnisse der Messverfahren mit Lichttransmission werden beeinflusst von:

• der Zusammensetzung des Papiers (Faserstoff, Füllstoff, Hilfsstoffe), => Streu- und Absorptionskoeffizienten,

• der flächenbezogenen Masse des Papiers, • der regionalen Rohdichte, • häufig auch von Weißgrad / Helligkeit und • der Farbe des Papiers.

Diese Faktoren lassen die Bewertung der Formation mittels Durchlichtmethoden nur dann sinnvoll erscheinen, wenn die zu vergleichenden Papierproben ähnliche Verarbeitungsstufen durchlaufen haben und aus annähernd identischen Stoffsys-temen hergestellt worden sind [1].

Bei der Bestimmung der Formation im Produktionsprozess, also in der Papier-maschine, ist die Einbeziehung der jeweiligen Bahngeschwindigkeit von großer Bedeutung. Die Bild- bzw. Messwertaufnahme muss in jedem Fall an die Ge-schwindigkeit angepasst werden. Die derzeit schnellsten Papiermaschinen arbeiten bei Bahngeschwindigkeiten von bis zu 2200 m/min.



Beispielbilder In Abbildung 1 sind Durchlichtaufnahmen von drei Papieren mit unterschiedlicher Formation dargestellt. An diesen Bildern wird das für eine automatische Formati-onsbewertung problematische, sortenspezifisch unterschiedliche Grauwerteni-veau der Papiere deutlich.

Abbildung 1: Beispiele für gute, mittlere und schlechte Formation

Ausgangs-situation

In Abbildung 2 ist eine Langsiebpapiermaschine mit der typischen Formations-messstelle nach der Trockenpartie dargestellt. Außerdem sind die Stellen am Stoffauflauf gekennzeichnet, an denen eine Einstellungs- bzw. Parameterände-rung große Auswirkungen auf die Formation haben kann. Durch diese räumliche Trennung ergibt sich eine systembedingte Totzeit. Diese wird üblicherweise noch größer durch die teilweise instabilen Übergangszustände, die nach einer Para-meteränderung auftreten können.

Parameter-Veränderungen

Formations-messung

Abbildung 2: Örtliche Gegebenheiten an der Papiermaschine für Parameter-änderungen und Formationsmessung

Die Formation ist in der DIN 6730 [2] als die räumliche Verteilung der Fasern im Papier definiert. Allerdings gibt es in der Norm bislang keine Angaben dazu, in welcher Form eine Messung der Formation durchzuführen ist, oder welche quantitativen Parameter die Formation auszeichnen.

Diese Unklarheit hat in der Praxis dazu geführt, dass es sehr viele verschiedene Formationsmesssysteme gibt, die sich in ihrer Hard- und Software deutlich unterscheiden und deren Messdaten untereinander nicht vergleichbar sind. Selbst Trends werden teilweise unterschiedlich oder ungenau wiedergegeben.



4 Bewertung der Formation

4.1 Visuelle Bewertung

Übersicht Die traditionelle Formationsbewertung wird in der Regel visuell durch Experten in den Papierfabriken im Durchlicht (Lichttisch) vorgenommen. Zur Quantifizierung des Formationsergebnisses werden meist Noten vergeben, wobei das verwende-te Notensystem im Allgemeinen firmenspezifisch ist. Dadurch ergeben sich verschiedene Nachteile:

• die Benotung ist vom jeweiligen Prüfer und dessen Tagesform abhängig, • die Benotungen unterscheiden sich in den verschiedenen Firmen, • durch die Benotung ergeben sich äquidistante Abstände zwischen den Quali-

täten, die meist nicht die realen Gegebenheiten wiedergeben und • die Formation ist keine eindimensionale Größe (s. o.), d. h. die Angabe einer

„Reihenfolge“ für alle Papiere ist nicht immer sinnvoll.

Verbessertes Vorgehen

Diese Nachteile werden etwas verringert, wenn zur Quantifizierung der Formati-on (Gleichmäßigkeit) die Papiere paarweise miteinander verglichen werden („Paarweiser Vergleich“). Allerdings steigt der Aufwand mit einer größeren Probenanzahl P schnell an. Da jedes Papier mit jedem verglichen wird, um zu entscheiden, ob es eine bessere, gleiche oder schlechtere Formation besitzt, ergibt sich die Anzahl der notwendigen Vergleiche N aus:

N = P * (P-1)

Um den Aufwand bei großer Probenanzahl etwas zu verringern, findet vor Beginn meist eine Klasseneinteilung der Papiere statt. Anschließend werden nur die Papiere einer Klasse untereinander paarweise verglichen.

Allerdings kann auch mit diesen Vergleichen keine exakte, objektive und wieder-holbare Formationsbewertung durchgeführt werden, da das Ergebnis ein subjek-tiver eindimensionaler Wert ist, der sehr stark von den verwendeten Proben abhängig ist. Außerdem ist ein Vergleich von Indizes aus unterschiedlichen paarweisen Vergleichen nicht zulässig.

4.2 Messtechnische Bewertung

Übersicht Zur Messung der Formation werden heute sowohl linienbasierte Systeme (z.B. Laser) als auch flächenbasierte Systeme (Kamera) genutzt. Bei dieser Betrach-tung wird die Bildgewinnung mittels Linien-/Zeilenkamera letzterem System zugeordnet, da die zweite Dimension über den Papiertransport generiert wird.



Bewertung von Linien

Bei einer linienbasierten Bewertung können folgende Formationsparameter betrachtet werden:

• Kontrast/Amplitude: o Fa mittlere lineare Abweichung des Profils vom Mittelwert o Fq mittlere quadratische Abweichung des Profils vom Mittelwert o Fdq mittlere Änderung des Formationsprofils

• Wellenlänge/Wolkigkeit – Flockengröße: o Fwi Wolkigkeitsindex (Maß für dunkle Bereiche) o Fwo Maß für helle Bereiche

Bisher üblich: 1 Parameter aus Helligkeitswerten berechnenPTS (LSC): 2 ... 4 Parameter (aus 20) wählen

0 1 0 2 0 3 0 4 00 , 2 5

0 , 3 0

0 , 3 5

0 , 4 0

0 , 4 5

Tr

an

sm

iss

ion

M e ß w e g [ m m ]

M a x i m u m

M i n i m u m

c 1

c 2

Abbildung 3: Linienbasierte Formationsbewertung (PTS-Laserformationsbewer-tung) [3]

Bewertung von Flächen

Die Hardware zur Bildgewinnung für flächenbasierte Systeme ist üblicherweise eine Kamera oder ein Scanner (nur Offline) im Durchlichtverfahren. Bei den Kameras kommen Zeilen- und Matrixkameras zum Einsatz. Für die messtechni-sche Bewertung der Formation werden eine Vielzahl von bildanalytischen Auswerteverfahren (Algorithmen) genutzt:

• Standardabweichung der Grauwerte, • Kontrastvariation und Nachbarschaftsanalytik (Co-occurrence-Matrix), • Powerspektrumsanalyse, • PTS-Methode, • Specific perimeter, • Wavelet-Transformation, • Autokorrelationsfunktion, • und weitere.



Beispiele Papier mit “guter” Formation Papier mit “schlechter” Formation

2D-Fourierspektrum 2D-Fourierspektrum

r = |f|

ϕ

+

r: Radiusf: Frequenzϕ: WinkelGrauwert: Intensität

Papier mit “guter” Formation Papier mit “schlechter” Formation

2D-Fourierspektrum 2D-Fourierspektrum

r = |f|

ϕ

+

r: Radiusf: Frequenzϕ: WinkelGrauwert: Intensität

Abbildung 4: Flächenbasierte Formationsbewertung mittels Powerspektrums-analyse am Fourier-transformierten Kamerabild

4.3 Verfügbare Labormesstechnik

Laborsysteme In der Vergangenheit haben sich verschiedene Systeme am Markt etabliert, von denen die wichtigsten hier kurz vorgestellt werden:

TECHPAP 2D Lab Formation Sensor

Dieses Formationsmessgerät nimmt im Durchlicht Bilder mit einer Kamera auf. Diese haben eine Größe von 120x120 mm und eine Pixelgröße von 250 µm. Dabei findet eine automatische Helligkeitskorrektur der Beleuchtung statt, so dass die Bilder immer den gleichen mittleren Grauwert besitzen.

Bei der Auswertung wird ein eindimensionaler Formationsindex berechnet und am Bildschirm ausgegeben. Des Weiteren werden dunkle Bildbereiche (Flocken) detektiert sowie bezüglich ihrer Größe analysiert und klassiert. Dieses Vorgehen erlaubt eine Aussage über die Anzahl großer und kleiner Flocken und somit über die Gleichmäßigkeit der Papierprobe.

OpTest Paper PerFect Formation Analyzer

Dieses Offline-System arbeitet im Durchlichtverfahren und nimmt die Bilder mit einer CCD-Kamera bei einer Pixelgröße von 65 µm auf. Die Bilder werden mit einer FFT umgewandelt und entsprechend ihrer Frequenzanteile analysiert. Als Ergebnisse werden die Anteile der Flockengrößen in 10 Bereichen (0,5 – 55 mm) ausgegeben.

Eine Besonderheit des Systems besteht darin, dass die Formationswerte relativ zu einem „perfekten Papier“ oder einem frei definierbaren Referenzpapier berechnet werden. Dieses Referenzpapier kann dabei ein Konkurrenzprodukt oder das „beste“ eigene Papier sein. Auch der Vergleich mit einem Papier, das die Mindestanforderung bezüglich der zu realisierenden Formation repräsentiert, ist denkbar.



Kajaani Formation Analyzer

Auch das Messgerät von Kajaani arbeitet mit einer Kamera im Durchlichtverfah-ren. Die Bilder werden in 256 Graustufen aufgenommen, wobei die automatische Belichtungssteuerung immer für einen gleichen mittleren Grauwert der Bilder verantwortlich ist. Bei der Auswertung werden verschiedene Parameter berech-net, die Aussagen über die Größe, die Anzahl und die Verteilung der Flocken zulassen.

DOMAS-Modul Formation

Das DOMAS-System ist weitgehend hardwareunabhängig. Einige handelsübli-che A4 bzw. A3 Scanner sowie verschiedene Framegrabberkarten mit Videoka-mera werden unterstützt. Beim dominanten Scannereinsatz werden Bilder mit einer Auflösung von 210 dpi (das entspricht 120 µm pro Pixel) erzeugt. Die normalerweise ausgewertete Fläche je „Region of Interest“ beträgt 62 x 62 mm.

4.4 Verfügbare Online-Messtechnik

Online-Systeme Zur Onlinemessung wurden in der Regel die Algorithmen der Laborgeräte übernommen und die Hardware an die Messung an der laufenden Papierbahn angepasst. Dazu gehört einerseits die Modifikation der Kamera und der Beleuch-tung, damit auch bei hohen Geschwindigkeiten ausreichend hoch aufgelöste und scharfe Bilder aufgenommen werden können, andererseits musste die Auswerte-Software so angepasst werden, dass die aufgenommenen Bilder von der Kame-ra übernommen und zyklisch ausgewertet werden können.

Drei am Markt bekannte Lösungen werden hier näher beschrieben:

TECHPAP Online-2D-Formations-Sensor

Dieses System entspricht einer Online-Umsetzung des Laborgerätes von TECHPAP. Die erzielbaren Genauigkeiten und Auswertungen stimmen bei beiden Geräten überein. Die Bildaufnahme erfolgt im Blitzlichtbetrieb. Die Forma-tion wird durch einen Index beschrieben.

Metso Automa-tion IQFormation

Die Onlinevariante von Metso basiert, wie deren Prüfautomat (s. o.), auf den Mess- und Auswertealgorithmen des Kajaani Formation Analyzers. Die geringe Belichtungszeit, die für scharfe Bilder bei hohen Geschwindigkeiten notwendig ist, wird durch das Blitzen einer hoch intensiven Xenonlampe erreicht [4].

Honeywell Hilcont Formation Analysis System

Auch Honeywell hat ein Online-Formationsmessgerät entwickelt. Dieses wurde auf der Pira International Conference im März 2004 erstmals vorgestellt [5]. Auf der Zellcheming 2006 wurde dann die verkaufsfähige Lösung präsentiert. Bei der Auswertung der Bilder werden verschiedene Parameter errechnet und an den Nutzer weitergegeben. Dabei handelt es sich unter anderen um Eigenschaften der Flocken (Größe, Anzahl, Ausrichtung) sowie allgemeine Aussagen zur Standardabweichung, Maximum und Minimum der Grauwerte [6].



5 Standardvorschlag zur Formationsmessung

Überblick Im Rahmen des Projektes entstand ein Standardisierungsvorschlag für eine Online-Formationsbewertung. Dieser wurde mit Vertretern von Messtechnikher-stellern und Papierfabriken im Rahmen des Zellcheming-FUA „Online-Sensorik“ abgestimmt und soll als Merkblatt veröffentlicht werden.

Der Vorschlag beschreibt die Anforderungen an die Hardware und das grund-sätzliche algorithmische Vorgehen bei der Formationsbewertung. Noch nicht vollständig abgestimmt ist der Aspekt der Kalibrierung der Hardware.

Standardisierte Formations-bewertung

Bedingt durch die bei der Verwendung unterschiedlicher Hardware zwangsweise auftretenden unterschiedlichen Bildqualitäten muss im 1. Schritt eine hardware-spezifische Korrektur erfolgen. Die Shading- und Verzerrungskorrekturen müs-sen dabei bei Zeilenkameras eindimensional und bei Matrixkameras zweidimen-sional erfolgen.

Anschließend erfolgt eine Normierung der Bilder um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu ermöglichen. Dabei werden die Grauwerte in den Real-Bereich überführt und auf einen einheitlichen Mittelwert normiert.

Für die Bewertung der Formation wurden zwei verschiedene Algorithmen in den Standardvorschlag aufgenommen. In beiden Fällen wird die Formation mehrdi-mensional bewertet – mit den eindimensionalen Algorithmen konnte keine ausreichende Übereinstimmung mit der visuellen Wahrnehmung erzielt werden. Der erste Algorithmus bewertet direkt das normierte Graustufenbild, für den zweiten Algorithmus wird das Bild der Fourier-Transformation des normierten Graustufenbildes genutzt.

Blockdarstellung Algorithmus Formations-bewertung

Abbildung 5: Blockdarstellung Algorithmus Formationsbewertung

Bildaufnahme

Hardwarespezifische Korrektur (Shading, Verzerrung)

Grauwertnormierung

Formationsbewertung



Kennzahlen zur Formations-bewertung

Der Standardisierungsvorschlag empfiehlt eine Bewertung der Formation durch drei Kennzahlen:

Kontrast Bezeichnet den (mittleren) Unterschied zwischen den hellsten und den dunkelsten Bereichen der zu bewertenden Fläche.

Wolkigkeit Ist ein Maß für die (mittlere) Größe der im Papier sichtbaren Strukturen (Flocken, Wolken).

Orientierung Ist ein Maß für die Richtungsunabhängigkeit der Strukturen im Papier.

Hinweis In diesem Kapitel wurden die wichtigsten Inhalte des Standardvorschlages vorgestellt. Die vollständige Fassung wird demnächst als Zellcheming-Merkblatt veröffentlicht werden.



6 Konzeption und Realisierung des Messsystems

Aufbau des Messsystems

Der Aufbau des Messsystems wurde in der Form eines C-Bügels realisiert. Dabei befindet sich die Kamera im oberen Gehäuse, die Beleuchtung im unteren. Beide Gehäuseteile besitzen auf allen vier Seiten eine Wand, welche im Übersichtsbild (siehe unten) teilweise ausgeblendet sind.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt dabei in der geringeren Verschmutzung des nach unten gerichteten Kameraobjektives. Eine Verschmutzung der Beleuchtung beeinflusst die Bildqualität nur minimal. Für eine Serienfertigung ist eine regel-mäßige Säuberung notwendig – dies kann auch über einen konstanten Luftstrom ohne einen manuellen Eingriff realisiert werden.

Die hier realisierte Konstruktion bietet sehr viele Freiheitsgrade. So kann die Beleuchtung gewechselt oder die Kameraposition in der Höhe verändert werden. Dadurch können verschiedene Bildauflösungen getestet werden. Des Weiteren wurden die Gehäuse etwas größer als notwendig ausgelegt um eine bessere Montierfreiheit zu erreichen. Für ein Serienmodell kann die Größe des Messsys-tems wesentlich verringert werden. Diese Notwendigkeit ergibt sich auch aus den real existierenden geringen Platzreserven zum Einbau des Gerätes an einer Papiermaschine.

Übersichtsbild des C-Bügel- Messsystems

Abbildung 6: Übersichtsbild Messsystem – Realisierung als C-Bügel



7 Ergebnisse der Formationsbewertungen

Übersicht Im Rahmen der Entwicklung des Messsystems sind verschiedenste Papiere mit unterschiedlichen Aufnahme- und Auswertungseinstellungen untersucht worden. In den folgenden Diagrammen sind die wichtigsten Ergebnisse zusammenge-fasst.

Unterschiedliche Papiersorten

Die untersuchten Papiere können in vier Gruppen eingeteilt werden. Zur Verdeut-lichung sind typische Ausschnitte in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 7: Überblick untersuchte Papiersorten

Begründung für mehrere Formations-kennzahlen

Traditionell wurde die Formation nur mit einem Index bewertet. Diese Kennzah-len korrelieren meist mit den Kontrastwerten der Bilder. Wie im unteren Dia-gramm erkennbar, wäre dadurch eine Unterscheidung zwischen den visuell gut unterscheidbaren Kopier- und Zeitungsdruckpapieren nur sehr schwer möglich. Durch die zusätzliche Betrachtung der Wolkigkeit ergeben sich auch innerhalb der einzelnen Sorten erkennbar verschiedene Qualitätsniveaus.

0

4

8

12

16

20

24

28

Verp1

Verp2

Verp3

Kopier1

Kopier2

Kopier3

Zeit1

Zeit2

Zeit3

Zeit4

Zeit5

Zeit6

GrafPap

ier

Kon

tras

t

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Wol

kigk

eit

Kontrast

Wolkigkeit

Abbildung 8: Kontrast- und Wolkigkeitswerte für verschiedene Papiere



Typische Wertebereiche

Im folgenden Kontrast-Wolkigkeits-Diagramm sind die verschiedenen untersuch-ten Papiere klar in die verschiedenen Sorten aufgeteilt. Eine Korrelation zwi-schen den Kontrast- und Wolkigkeitswerten ist nicht vorhanden.

In den Gruppen besitzen die Punkte „links unten“ die gleichmäßigste Formation.

0,0

0,5

1,0

1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Contrast

Clo

udin

ess

GraphicCopyNewsprintPackaging

Abbildung 9: Typische Wertebereiche unterschiedlicher Papiersorten

Untersuchung zur Bildauflösung

In den folgenden Diagrammen sind die Ergebnisse der Untersuchungen zur Bildauflösung dargestellt. Dazu wurde von verschiedenen Papierproben der gleiche Ausschnitt mit unterschiedlichen Auflösungen aufgenommen und bewer-tet. Dabei zeigte sich eine klare Abhängigkeit der Kontrast- und Wolkigkeitswerte von der Bildauflösung.

Bei der Online-Bildaufnahme muss für scharfe Bilder eine günstige Kombination aus Bildauflösung und Aufnahmedauer in Abhängigkeit von der Bahngeschwin-digkeit gewählt werden.



Zusammenhang Kontrast und Bildauflösung

Bei steigender Pixelgröße werden kleinere Ungleichmäßigkeiten nicht mehr erfasst. Dies führt zu deutlich geringeren Kontrastwerten. Die Reihenfolge der Papiere bleibt in den untersuchten Papieren erhalten, allerdings war eine Diffe-renzierung innerhalb einer Papiersorte mit kleineren Pixelgrößen besser möglich.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 100 200 300 400 500 600 700 800Resolution [µm]

Con

tras

t (PS

A)

0

4

8

12

16

20

24

Contrast (D

irect)

Packaging_PSACopy_PSANewsprint_PSAGraphic_PSAPackaging_DirectCopy_DirectNewsprint_DirectGraphic_Direct

Abbildung 10: Kontrastwerte in Abhängigkeit von der Bildauflösung

Zusammenhang Wolkigkeit und Bildauflösung

Auch die Wolkigkeit zeigt eine erkennbare Abhängigkeit von der Bildauflösung. Mit steigender Pixelgröße steigen die Wolkigkeitswerte. Dies kann damit begrün-det werden, dass bei einer größeren Auflösung die kleineren Strukturen im Bild nicht mehr erfasst werden und somit die mittlere Flockengröße steigt.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800Auflösung [µm]

Wol

kigk

eit (

PSA

)

Verpackung_PSAKopier_PSAGrafPapier_PSAZeitung1_PSAZeitung2_PSAZeitung3_PSA

Abbildung 11: Wolkigkeitswerte in Abhängigkeit von der Bildauflösung



Zusammenhang Orientierung und Bildauflösung

Die Bildauflösung hat keinen erkennbaren Einfluss auf den Orientierungswert. Die Orientierung hat einen Wertebereich von -1 bis 1, wobei Werte zwischen -0,2 und 0,2 auf eine nicht vorhandene Orientierung im Papier hindeuten.

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0 200 400 600 800

Auflösung [µm]

Orie

ntie

rung

Verp_PSAVerp_DirektKopier_PSAKopier_Direkt

Abbildung 12: Orientierungswerte in Abhängigkeit von der Bildauflösung



8 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Erfolgsaus-sichten für Anwender der Formations-bewertung

Die Online-Messung der Formation unter Nutzung eines standardisierten Verfah-rens erlaubt dem Papiermacher eine Steuerung dieser qualitätsbeeinflussenden Papiereigenschaft während der Produktion und somit eine wesentlich schnellere Reaktion auf Parameteränderungen im Prozess als bei der bislang meist übli-chen Formationskontrolle in Offline-Messgeräten oder am Lichttisch. Wesentliche Grunduntersuchungen zur Integration von Formationsmesssystemen in die Steuerung von Papiermaschinen wurden seitens der PTS in einem im Jahr 2006 abgeschlossenem AiF-Projekt [7] durchgeführt.

Umsatzerwar-tungen in Papierfabriken

Der Einsatz eines Online-Messsystems für die Formation erzeugt in den Unter-nehmen folgende wirtschaftliche Effekte:

• Einsparung von Rohstoffen: Man kann davon ausgehen, dass insbesondere die Dosierung von Retentionsmitteln durch die Nutzung des Online-Forma-tionsmesssystemes verringert werden kann. Eine angenommene Kostenein-sparung von 0.15 % durch einen geringeren Rohstoffeinsatz wirkt sich im Mit-tel in einer Einsparung von 23,6 T€ pro Fabrik und Jahr aus.

• Erhöhung der Bahngeschwindigkeit der Papiermaschine unter gesicherter Einhaltung von Qualitätsparametern: Eine in Bezug auf die Papierqualität op-timierte Bahngeschwindigkeit führt zu einer Mehrproduktion von Papier ohne Qualitätsverlust. Hierbei muss die z.B. durch die Trockenpartie nach oben begrenzte Bahngeschwindigkeit der Papiermaschine beachtet werden. Rech-net man mit einer Erhöhung der Bahngeschwindigkeit um 1%, würde sich eine Gewinnsteigerung pro Fabrik und Jahr von 263 T€ ergeben.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. Björn Zimmermann Tel. 03529 / 551-687 [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS Pirnaer Straße 37 01809 Heidenau Tel. 03529 / 551-60 Fax 03529 / 551-899 e-Mail: [email protected] www.ptspaper.de



Literaturverzeichnis 1 N.N.

PTS DOMAS-Beschreibung, Kapitel 10

2 N.N. DIN 6730 Papier und Pappe; Begriffe Ausgabe 06.2000

3 N.N. PTS Formationsmesssystem FMS 850, Bedienungsanleitung

4 http://www.metsoautomation.com – Products – Paper IQPlus – Sensors – IQFormation, online formation measurement

5 H. Ruuska Image based paper formation online analysis Tagungsbericht Measurement, Control an Diagnostics in the Papermaking Process Pira International Conference March 24-25, 2004, Manchester, UK Pira International, Leatherhead, Surrey

6 http://hpsweb.honeywell.com/Cultures/en-US/default.htm - Industry Solutions - Paper – Paper Measurement – Foto Form Camera-based Formation Measurement

7 B. Zimmermann, G. Keller Wirkung der Änderung von Prozessparametern in der Nasspartie auf die quantitative Veränderung der Formation und die sie beschreibenden Formationsindizes an Langsiebmaschinen Abschlussbericht AiF-Projekt 14137 (2004 – 2006)

www.ptspaper.dePapiertechnische StiftungPTS in München: Heßstraße 134 · 80797 München · Telefon +49 (0)89-12146-0 · Telefax +49 (0)89-12146-36 PTS in Heidenau: Pirnaer Straße 37 · 01809 Heidenau · Telefon +49 (0)3529-551-60 · Telefax +49 (0)3529-551-899

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