Interferometrischer Sensor »bd-2« für Dickenmessungen an Papier

Prägetiefenmessung an einer Papierbahn mit »bd-2«
© Fraunhofer ILT, Aachen
Prägetiefenmessung an einer Papierbahn mit »bd-2«.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen, hat den interferometrischen Dickensensor »bd 2« entwickelt, mit dem die geometrische Dicke von Papier und Karton mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit absolut gemessen werden kann. Der Sensor ist mit einem kompakten Messkopf mit bidirektionalem Messstrahl ausgestattet. Das bedeutet, dass Hin- und Rückstrahl entlang derselben Linie verlaufen. Besondere Leistungsmerkmale sind die Messfrequenz von bis zu 70 kHz und eine Messgenauigkeit von mehr als 200 nm in einem zulässigen Schwärmbereich von 8 mm. Der Arbeitsabstand bei einer zweiseitigen Dickenmessung beträgt typischerweise 80 mm nach oben und 80 mm nach unten, er kann je nach Anwendung entsprechend angepasst werden. Durch diesen großen Arbeitsabstand ist der Sensor für den Inline-Einsatz in der Produktion geeignet.

Der Dickensensor weist gegenüber herkömmlichen Messgeräten, die beispielsweise auf induktiven oder kapazitiven Verfahren beruhen, neben der Kompaktheit weitere Vorteile auf. Die Messungen erfolgen mit einer höheren Messfrequenz bei gleichzeitig höherer Präzision. Durch den großen Arbeitsabstand besteht keine Notwendigkeit, z. B. durch Luftpolster einen direkten Kontakt zwischen Sensor und Messgut zu verhindern. Gemessen werden können zudem die Rauheit und Oberflächenstrukturen von Papier und Karton.

Anwendungen

Demonstrator für Dickenmessungen von Papier mit integriertem »bd-2«-Sensor.
© Fraunhofer ILT, Aachen
Demonstrator für Dickenmessungen von Papier mit integriertem »bd-2«-Sensor.
Kompakter Messkopf mit bidirektionalem Messstrahl des Sensors.
© Fraunhofer ILT, Aachen
Kompakter Messkopf mit bidirektionalem Messstrahl des Sensors.

Bei der Herstellung von Papier und Karton ist das Flächengewicht die zentrale Produkteigenschaft. Zu dessen Bestimmung werden radiometrische Sensoren eingesetzt, die berührungsfrei arbeiten, aber ein hohes Maße an Sicherheitsvorkehrungen zum Schutz der Mitarbeiter erfordern. Eine Alternative dazu sind induktive und kapazitive Sensoren, die für den Menschen ungefährlich sind. Jedoch berühren sie die zu vermessende Bahnware oder sind lediglich durch einen dünnen Luftspalt von deren Oberfläche getrennt. Gemeinsam ist diesen drei Messverfahren, dass sie die Dicke der Papier- und Kartonbahnen nur indirekt messen und dabei temperatur- und feuchtigkeitsabhängig sind. Zudem liefern sie keine Informationen zur Oberflächenstruktur.

Im Gegensatz dazu messen »bd 2«-Sensoren die geometrische Dicke direkt. Dabei nutzen sie eine spektral breite Strahlungsquelle, sodass sie gegen Störungen durch den Speckle-Effekt unempfindlich sind. Dies wurde in Feldversuchen an Papierveredelungsmaschinen bei Bahngeschwindigkeiten von bis zu 100 m/min bestätigt. Die Dicke konnte mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich gemessen werden. In weiteren Versuchen soll nun gezeigt werden, dass die absolut messende interferometrische Sensorik auch bei Bahngeschwindigkeiten von bis zu 2000 m/min zuverlässig funktioniert.

Neben dem Flächengewicht ist die Oberflächenstruktur von Papier und Karton für weitere Veredelungsschritte und für den vorgesehenen Gebrauch von großer Bedeutung. Zusätzlich zur Dicke können mit »bd 2«-Sensoren auch die Rauheit und Oberflächenstrukturen von unbehandeltem, gestrichenem, geprägtem, geglättetem oder satiniertem Papier oder Karton gemessen werden. Die präzisen, zuverlässigen Messwerte werden mit Verzögerungszeiten im Millisekundenbereich ausgegeben, um beispielsweise die Prägetiefe zu regeln.