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In-Line Messung der Papierfeuchte in einer Papiermaschine: Messverfahren im Vergleich
Die Papierfeuchte ist eine der wichtigsten Qualitätsgrößen im gesamten Herstellungsprozess. Zu feuchtes Papier führt zu Festigkeitsproblemen, Rollenverklebungen und Reklamationen beim Kunden, zu trockenes Papier verursacht unnötigen Energieverbrauch in der Trockenpartie und erhöht das Abrissrisiko.
Für die kontinuierliche Messung im laufenden Prozess stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, die sich in Messprinzip, Einsatzort und Umfang der gelieferten Information deutlich unterscheiden.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die gängigen Verfahren zur Papierfeuchtemessung in der Papiermaschine – von punktuellen Inline-Sensoren bis zu traversierenden Messbalken-Systemen und geht auf weitere Details zu den SensoWeb „moist“ Sensorsystemen von Sensorik Austria ein: an welchen Positionen in der Papiermaschine die Messung sinnvoll ist, welche Messprinzipien zum Einsatz kommen und worauf Sie bei der Auswahl eines Inline-Feuchtesensors achten sollten.
Inhaltsverzeichnis
Warum ist die Feuchtemessung in der Papiermaschine so wichtig?
Die Papierfeuchte wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst und schwankt im laufenden Betrieb ständig:
- Schwankungen in Stoffdichte und Faserzusammensetzung
- Ungleichmäßige Entwässerung in der Siebpartie
- Ungleichmäßiger Anpressdruck in der Pressenpartie
- Schwankende Dampfzufuhr oder ungleichmäßige Zylindertemperatur in der Trockenpartie
- Klimaschwankungen in der Produktionshalle
Ohne kontinuierliche Messung bleiben solche Schwankungen oft erst bei der Endkontrolle oder – schlimmer noch – erst beim Kunden sichtbar. SensoWeb „moist“ macht diese Schwankungen direkt im Prozess sichtbar und regelbar.
Verfahren im Vergleich
Verfahren | Messart | Örtliche Auflösung | Typischer Einsatzort | Typische Zusatzparameter |
Infrarot-/SWIR-Punktmessung | Punktuell, fest positioniert | Ein Messpunkt je Sensor | Nach Pressenpartie, Trockenpartie, vor Aufrollung | Meist nur Feuchte |
Mikrowellenmessung | Punktuell, fest positioniert | Ein Messpunkt je Sensor | Trockenpartie, grammaturunabhängige Messung | Meist nur Feuchte |
Messbalken/Scanning-System | Traversierend über die Bahnbreite | Vollständiges Querprofil | Vor der Aufrollung, Maschinenende | Flächengewicht, Dicke |
Messverfahren im Überblick
Infrarot-/SWIR-Punktmessung
Funktionsprinzip: Ein oder mehrere feste Messpunkte erfassen die Feuchte über die Absorption von Infrarotlicht durch Wassermoleküle.
Einsatzbereich: Nach der Pressenpartie, an einzelnen Positionen innerhalb der Trockenpartie oder vor der Aufrollung – überall dort, wo eine gezielte Messung an einer bestimmten Stelle benötigt wird, etwa zur Vorsteuerung der Dampfzufuhr einer bestimmten Trockengruppe.
Vorteile: Vergleichsweise einfache und kostengünstige Integration an einzelnen Positionen, hohe Messgenauigkeit bei stabilen Oberflächenbedingungen, gut geeignet für gezielte Regelkreise an einzelnen Prozessabschnitten.
Nachteile: Liefert nur punktuelle Information, kein automatisches Querprofil über die volle Bahnbreite ohne zusätzliche Traversiereinrichtung, empfindlich gegenüber Dampf und starken Oberflächenveränderungen.
(Bei Sensorik Austria wird dieses Prinzip u. a. in SensoWeb Moist eingesetzt.)
Mikrowellenmessung
Funktionsprinzip: Elektromagnetische Wellen durchdringen die Papierbahn; Laufzeit- bzw. Dämpfungsänderungen liefern die Feuchteinformation unabhängig vom Flächengewicht.
Einsatzbereich: Besonders geeignet für Positionen mit schwankender Grammatur oder wechselnden Papiersorten, sowie für Zwischenmessungen innerhalb der Trockenpartie.
Vorteile: Weitgehend unabhängig von Grammaturschwankungen, robust gegenüber Dampf und Kondensat, gut geeignet für raue Prozessumgebungen.
Nachteile: Etwas geringere Ortsauflösung als optische Punktmessung, aufwendigere Kalibrierung bei stark wechselnden Papiersorten.
Traversierende Messbalken-Systeme (Scanning-Systeme)
Funktionsprinzip: Ein über die gesamte Bahnbreite traversierender Messbalken (auch „Scanner” genannt) führt mehrere Sensorköpfe – häufig Infrarot- und/oder Mikrowellensensoren, oft kombiniert mit Flächengewichts- und Dickenmessung – quer über die laufende Bahn und erstellt so ein vollständiges Querprofil.
Einsatzbereich: Klassischerweise am Ende der Papiermaschine vor der Aufrollung, wo neben der Feuchte häufig gleichzeitig Flächengewicht und Dicke über die gesamte Bahnbreite erfasst werden – als Grundlage für automatisierte Profilregelungen (z. B. Steuerung von Dampfblasenkästen oder Profilstellgliedern).
Vorteile: Liefert ein vollständiges Querprofil statt punktueller Werte, ermöglicht die gleichzeitige Erfassung mehrerer Qualitätsparameter (Feuchte, Flächengewicht, Dicke) an einer Messposition, etablierte Basis für automatisierte Profilregelung.
Nachteile: Deutlich höherer Investitions- und Integrationsaufwand als Einzelsensoren, mechanisch komplexeres System durch die Traversiereinheit, meist nur an einer oder wenigen Positionen der Maschine wirtschaftlich sinnvoll (i. d. R. am Maschinenende), keine kontinuierliche Momentanmessung an mehreren Prozesspositionen gleichzeitig.
Vergleich mit anderen Messprinzipien
Messprinzip | Funktionsweise | Vorteile | Typischer Einsatzbereich |
Infrarot (NIR) | Absorption von Infrarotlicht durch Wassermoleküle | Hohe Genauigkeit, etabliertes Verfahren, geringer Platzbedarf | In- und Nach Pressenpartie, innerhalb der Trockengruppen, vor und nach Filmpresse, vor Aufrollung Faseroptisch auch innerhalb der Trockengruppen |
Mikrowelle | Durchdringt die Bahn, misst Feuchte unabhängig vom Flächengewicht | Robust gegenüber Grammaturschwankungen | Trockenpartie, Querprofilmessung |
Kapazitiv | Erfasst Feuchte über Änderung der dielektrischen Eigenschaften | Kompakter Aufbau, geringer Wartungsaufwand | Punktuelle Messung an Engstellen |
Auswahlkriterien für Inline-Feuchtesensoren
Die Wahl des Messprinzips hängt vom Einbauort, von der gewünschten Genauigkeit und von möglichen Störeinflüssen wie Dampf, Grammaturschwankungen oder Bahnflattern ab.
Bei der Auswahl eines Inline-Feuchtesensors für Ihre Papiermaschine sollten Sie folgende Punkte berücksichtigen:
- Einbauort und Zugänglichkeit: Verfügbarer Bauraum, Abstand zur Bahn, Zugänglichkeit für Wartung
- Umgebungsbedingungen: Dampf, Temperatur und Vibration am Einbauort
- Betriebskosten: Aufwand für Kühlung (Luft-, Wasser-Kühlung), regelmässige Wartungserfordernisse
- Messbreite: Punktmessung oder traversierende Messung über die volle Bahnbreite
- Messgenauigkeit: Erforderliche Toleranz je nach Papiersorte und Qualitätsanforderung
- Integration: Anbindung an bestehende Leitsysteme und Regelkreise (z. B. Dampfventile, DCS)
- Reaktionsgeschwindigkeit: Wie schnell Änderungen erkannt und zur Regelung genutzt werden müssen
Was ist SensoWeb „moist“?
SensoWeb „moist“ ist ein speziell für den Einsatz in den harschen Umfeldbedingungen einer Papiermaschine entwickelter, faseroptischer Inline-Feuchtesensor, der den Feuchtegehalt der Papierbahn während des laufenden Produktionsprozesses berührungslos erfasst.
Im Gegensatz zu Stichproben im Labor liefert SensoWeb „moist“ kontinuierliche Messwerte direkt an der Maschine – in Echtzeit und über die volle Produktionsgeschwindigkeit hinweg.
Die Messdaten können direkt in die Maschinensteuerung eingebunden werden, um zum Beispiel:
- die Pressenwirkung zu überwachen
- die Dampfzufuhr in der Trockenpartie nachzuregeln
- den Prozess des Aufführens der Papierbahn optimieren
- Feuchteschwankungen über die Bahnbreite (Querprofil) sichtbar zu machen
- Trends frühzeitig zu erkennen, bevor Qualitätsgrenzwerte überschritten werden
- Feuchtedaten für die Chargendokumentation und Qualitätsnachweise zu speichern
Da die Messung inline erfolgt, entfällt die Verzögerung durch Laborproben – Abweichungen werden erkannt, während sie noch korrigierbar sind und nicht erst Stunden später, wenn im schlimmsten Fall nur weiterer Ausschuss produziert wurde.
Einbauorte in der Papiermaschine
Je nach Zielsetzung wird SensoWeb „moist“ an unterschiedlichen Positionen der Maschine eingesetzt:
- Nach der Pressenpartie
Frühzeitige Erfassung der Restfeuchte vor und nach den einzelnen Press-Gruppen sowie vor Eintritt in die Trockenpartie – wichtig für die Bewertung der Pressenwirkung oder die Vorsteuerung der Dampfzufuhr.
- In der Trockenpartie (Zwischenmessung)
Überwachung des Feuchteverlaufs über mehrere Trockengruppen, z.B. um die Dampfregelung gruppenweise anzupassen, oder auch um den Prozess des Aufführens des Aufführstreifens zu optimieren.
- Vor/nach einer Filmpresse (Sizepress)
Erfassung der Restfeuchte vor Filmpresse – wichtig für die Steuerung der Befeuchtung – bzw. nach der Filmpresse/vor Eintritt in die Nachtrockengruppe – wichtig für die Vorsteuerung der Dampfzufuhr der Nachtrockengruppe
- Vor der Aufrollung / am Maschinenende
Erfassung der finalen Bahnfeuchte als Grundlage für Qualitätsfreigabe und Prozessdokumentation.
- Traversierend über die Bahnbreite
Zur Erstellung eines Feuchte-Querprofils, das ungleichmäßige Trocknung über die Bahnbreite aufdeckt.
Vorteile für den Produktionsprozess
Der Einsatz von SensoWeb „moist“ wirkt sich direkt auf mehrere Kennzahlen der Produktion aus:
- Stabilere Produktqualität: Gleichmäßige Feuchtewerte über die gesamte Bahnbreite und Produktionszeit
- Geringere Stillstandszeiten: Die Überwachung der Feuchte des Aufführstreifens verkürzt den Aufführprozess und reduziert mit Bahnrissen verbundene Produktionsausfälle
- Geringerer Energieverbrauch: Bedarfsgerechte Dampfzufuhr statt pauschaler Überdimensionierung
- Weniger Ausschuss und Reklamationen: Frühzeitiges Erkennen von Abweichungen vor der Endkontrolle
- Geringeres Abrissrisiko: Zu trockene oder zu feuchte Bahnbereiche werden rechtzeitig erkannt
- Lückenlose Dokumentation: Feuchtedaten stehen für Qualitätsnachweise und Prozessanalysen zur Verfügung
SensoWeb „moist“ bietet darüber hinaus weitere Vorteile:
- Überall installierbar: der kompakte, faseroptische Aufbau ermöglicht eine Installation an nahezu jeder Position entlang der Papiermaschine (ab Presse) und damit die Bewertung von einzelnen Prozessschritten, wie beispielsweise Trocknerwirkung oder die Optimierung des Aufführprozesses
- Geringste Betriebskosten: SensoWeb „moist“ muss nicht regelmäßig gewartet oder gar zur Wartung/Kalibration eingesendet werden; er benötigt keine Wasserkühlung, sondern lediglich kostengünstige Niederdruck-Spülluft
Häufige Fragen zur In-line Feuchtemessung in Papiermaschinen
Ersetzt ein Messbalken-System die punktuelle Inline-Messung an anderen Positionen der Maschine?
Nein. Ein Messbalken liefert primär ein Querprofil an einer bestimmten Position, meist am Maschinenende. Für die gezielte Regelung einzelner Trockengruppen oder früherer Prozessabschnitte werden weiterhin punktuelle Sensoren benötigt.
Ist Mikrowellenmessung genauer als Infrarotmessung?
Keines der beiden Verfahren ist pauschal genauer – Mikrowelle ist im Vorteil bei schwankender Grammatur und rauer Umgebung, Infrarot punktet bei stabilen Oberflächenbedingungen und einfacherer Integration an einzelnen Messpunkten.
Kann man mit einem einzigen Verfahren die gesamte Maschine abdecken?
In der Praxis meist nicht wirtschaftlich sinnvoll. Üblich ist eine Kombination aus punktuellen Sensoren an mehreren Prozesspositionen und einem Messbalken-System am Maschinenende.
Sind Messbalken-Systeme deutlich teurer als einzelne Sensoren?
Messbalken-Systeme sind deutlich aufwändiger und damit teurer als 1-Punkt-Messungen, weil sie mechanisch über die gesamte Bahnbreite traversieren müssen und in der Regel mehrere Sensorköpfe für unterschiedliche Parameter (Feuchte, Flächengewicht, Dicke) gleichzeitig integrieren – das erhöht sowohl Investitions- als auch Wartungsaufwand im Vergleich zu einem einzelnen feststehenden Sensor.
Kann ein travesierender NIR/SWIR-Sensor einen Messbalken ersetzen?
SensoWeb “moist” kann unter geeigneten Voraussetzung auch traversierend über die Bahn installiert werden. In diesem Fall kann der Sensor ebenfalls ein mit einem Messbalken vergleichbares Bahn-Feuchteprofil liefern, nicht aber Aussagen zu anderen Parametern wie Flächengewicht oder Dicke.
SensoWeb „moist“ von Sensorik Austria
Sensorik Austria entwickelt SensoWeb „moist“ speziell für die Inline-Feuchtemessung in Papiermaschinen – abgestimmt auf die Anforderungen von Pressenpartie, Trockenpartie und Aufrollung.