Brevet FR2568012A1 — publié le 19860124

- 1 2 APPAREIL POUR MESURER EN CONTINU L'ETAT DE FORMATION D'UNE FEUILLE DE PAPIER. L'invention concerne un appareil pour mesurer en continu l'état de formation d'une feuille de papier. L'expression "formation d'une feuille de papier" désigne la distribution; plus ou moins régulière.de la matière fibreuse dans le plan de la feuille. Cette notion est bien connue de l'homme de métier sous le terme de Népairl". Le plus généralement, l'épair est estimé visuelle- ment par l'examen de la transparence de la feuille de papier placée devant une boite à lumière. Il s'agit là d'une méthode, bien que largement répandue, subjective et qui nécessite donc une bonne connaissance du processus papetier et une longue pratique. En outre, par définition, cette méthode ne fournit pas de donnée ou de mesure alors que la fabrication de papiers de bonne qualité requiert des outils d'analyse objectifs. Par ailleurs, cette méthode ne peut être effectuée qu'a posteriori sur des feuilles de papier prélevées en fin de rouleau et non pendant la fabrication même de ce papier. Pour pallier cet inconvénient, dans le brevet fran- çais FR-A-1 566 138, on a suggéré un dispositif qui con- siste à envoyer sur le papier un faisceau lumineux, puis à transformer le faisceau transmis en un signal électri- que, enfin à mesurer le rapport entre la composante de courant alternatif et la composante de courant continu obtenus. Ce procédé est difficile à mettre en oeuvre sur une machine à papier dans laquelle la feuille est en mou- vement, car il tolère mal les oscillations de cette feuille. En outre, les résultats obtenus ne sont pas tou- jours très fiables, sans compter que cette méthode est limitée aux papiers de faible grammage. Récemment, on a suggéré de remplacer le faisceau lumineux par un faisceau laser issu d'une diode laser, la lumière transmise à travers l'échantillon étant en- suite transformée en un signal électrique. Un calcula- teur détermine ensuite la valeur efficace-de varia- tion (RMS) de plusieurs bandes spectrales et affiche le résultat de ces valeurs. Il s'agit là d'un dispositif complexe et coûteux ne permettant pas d'éviter les per- turbations de mesure provoquées par les micro-trous de la feuille à analyser. En effet, on a constaté,à l'usage que certains papiers présentant de tels micro-trous laissent passer la lumière, ce qui perturbe les calculs de valeur efficace de variation. L'invention pallie ces inconvénients. Elle concerne un appareil pour mesurer en continu l'état de formation d'une feuille de papier, qui soit économique à fabriquer, facile à mettre en oeuvre et soit insensible aux micro- trous. Cet appareil pour mesurer en continu l'état de for- mation d'une feuille de papier qui comprend: - des moyens pour entraîner une feuille de papier en mouvement à une vitesse prédéterminée - une source lumineuse dirigeant un faisceau laser au travers de ladite feuille; - un moyen pour capter la lumière laser transmise. puis pour transformer celle-ci en un signal électrique; - des moyens électroniques de traitement pour sépa- rer ce signal électrique en deux composantes et pour cal- culer à partir de ces composantes l'indice I représentatif de l'état de formation; - un afficheur de la valeur de cet indice I; se caractérise: en ce que le faisceau laser est polarisé, - et en ce que l'appareil comprend en outre, entre la feuille et le moyen pour capter la lumière laser transmise, un polariseur dont l'axe de polarisation est - 3 - perpendiculaire à l'axe de polarisation du faisceau la- ser transmis. En d'autres termes, le faisceau laser est polarisé et l'appareil capteur est également polarisé par rapport à l'axe de polarisation du faisceau laser transmis. Avantageusement, en pratique: - le laser est soit un laser à gaz (He - Ne), soit un laser à semi-conducteur associé à un système optique de collimation -; - le faisceau laser émis est réfléchi tout d'abord par un prisme ou un miroir, puis traverse la feuille en mouvement, et enfin à nouveau est réfléchi par un miroir, avant de pénétrer dans le pôlariseur - le polariseur est associé à une lentille aàphéri- que qui projette sur l'organe de mesure l'image de la partie de la feuille à analyser; - l'appareil comprend au voisinage de la feuille de papier à analyser, des passages aménagésconiques par exemple, présentant une arrivée latérale d'air comprimé; - le moyen pour transformer la lumière laser en un signal électrique est un transducteur, et le signal élec- trique émis amplifié est séparé en deux composantes, l'une à haute fréquence A, l'autre basse fréquence B,par passa- ge dans un ensemble comportant un filtre passe-bas et un filtre passehaut; - le signal électrique est séparé en deux composan- tes haute fréquence A et basse fréquence B par passage dans un filtre passe-bas,à la suite duquel on déduit la composante haute A par soustraction de la composante B du signal d'entrée; - le moyen'pour calculer l'indice I comprend un moyen pour calculer la valeur efficace RMS de la composante haute fréquence A par un module analogique, 35. un moyen pour déterminer la valeur moyenne M 4 - de la composante basse fréquence B par un filtre passe-bas, un moyen pour effectuer le rapport: valeur effective RMS à l'instant (t), I= valeur moyenne M au même instant (t) La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indica- tif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une vue perspective générale d'un appareil de mesure de formation de feuille conforme à l'invention. La figure 2 est une vue agrandie de la tête de me- sure de l'invention. La figure 3 est une représentation symbolique de la partie électronique de traitement du signal. La figure 4 est une:représentation également symbo- lique d'une variante d'exécution de cette partie électro- nique de mesure. En se référant aux figures 1 et 2, l'appareil selon l'invention comprend un châssis en U (1,2,3) dans les branches duquel passe la feuille de papier, symbolisée par la référence (4). Cette feuille est entraînée en mouvement par des moyens classiques, non représentés, faisant partie intégrante d'une machine à papier. La branche supérieure horizontale (1) de l'appareil comprend un laser (5) à gaz He-Ne, par exemple de deux mW émettant un faisceau polarisé (6). Ce laser (5) est alimenté de manière connue au moyen d'un câble relié à une alimentation classique (7) de laser. Sur le parcours du faisceau laser polarisé (6), on interpose éventuellement un dispositif rotatif à lentil- les (8), divergente ou convergente, destiné à modifier la dimension de la tache laser (6) sur la feuille (4) en mouvement. -5 Le faisceau émis (6) est ensuite réfléchi par un prisme (9) à réflexion totale,pour pénétrer dans une lame à faces parallèles (10) formant fenêtre. Cette lame (10) est placée à la grande base d'un cône (11) dont la pointe est dirigée vers le bas dans la direction de la feuille (4). Ce cône solide (11) est taillé dans une plaque horizontale (12). Symétriquement, une deuxième plaque (13) comporte également un cône solide (14) aligné avec (11) qui est associé à une seconde lame à faces parallèles (15) formant fenêtre. Le faisceau transmis (16) qui sort de cette lame (15) arrive ensuite sur un miroir plan (1) incliné à 450. Le faisceau transmis réfléchi traverse ensuite un polariseur (18) dont l'axe de polarisation est perpendi- culaire à l'axe de polarisation du faisceau laser trans- mis (16) de manière à éliminer la lumière directe lors de la présence de micro-trous ou de vides dans la feuil- le (4) à analyser. Le polariseur (18) est associé par sa face arrière à une lentille asphérique (19) focalisante qui concentre sur la cellule photoélectrique de mesure (20) l'image de la partie éclairée de la feuille (4) à analyser. Afin d'empêcher des dépôÈts-de salissures ou de pous- sières dans les cônes solides (11) et (14), ces cônes comportent des arrivées (21,22) alimentées en air compri- mé par des conduits (23,24). La cellule photoélectrique (20) au silicium, formant transducteur (photodiode) est montée à l'extrémité d'un bloc support cylindrique (25). Cette cellule transforme la lumière traitée en un signal électrique. Ce signal électrique sortant de la cellule (20) est reçue par une prise (26) qui le transmet à la carte élec- tronique pré-ampli (27) associée à sonnalimentation (28). -6- L'appareil comprend également de manière connue des relais de commande référencés (29). Le dispositif d'analyse du signal électrique consis- te essentiellement (voir figures 3 et 4), par un filtra- ge électronique approprié, à séparer ce signal en deux composantes: l'une dite haute fréquence A et l'autre basse fréquence B. La composante haute fréquence A dite "d'épair", qui correspond donc à la partie haute fréquence du spectre du signal, c'est-à-dire aux variations exis- tantssur la feuille (4) avec des longueurs d'onde infé- rieures à un maximum prédéterminé est caractérisée par sa valeur efficace RMS (root mean square), c'est-à-dire par la racine carrée de la valeur quadratique moyenne ou valeur efficace. La composante basse fréquence B dite par analogie "de grammage" correspond à la partie basse fréquence du spectre du signal, voire à sa fréquence 0, c'est-à-dire aux phénomènes qui se reproduisent sur la feuille (4) avec des longueurs d'onde supérieures à un minimum prédé- terminé. Cette composante B est approximativement une fonction inverse du grammage et est caractérisée par sa valeur moyenne M. L'indice I de formation de la feuille fournie par l'appareil est le rapport entre cette valeur efficace RMS de la composante haute-fréquence A et la valeur moyenne M de la composante grammage basse fréquence B. La photocellule au silicium (20) montée en photovoltaique (voir figure 3) est suivie d'un convertisseur courant- tension (30). Un amplificateur (31) permet des liaisons de grande distance entre la tête et le coffret de mesure. La bande passante du signal électrique-émis est d'environ cent kHz à -3dB. Le signal électrique en provenance de-l'amplificateur (31) pénètre sur un autre amplificateur (32) à gain va- riable par commutation. Ce montage particulier permet de 2 5 68 0 12 7- conserver, quelque soit le gain, une valeur de contre- réaction faible constante,minimisant les réglages de zéro (réglage d'offset). Un amplificateur comparateur (33) permet d'afficher sur une LED (34) la saturation de l'amplificateur (32). Le filtrage passe-haut nécessaire avant le calcul de la valeur efficace RMS est obtenu en soustrayant du signal émis par (32) la partie basse fréquence obtenue en sortie de l'amplificateur (35), qui est un filtre passe- bas à fréquence de coupure fl' Cette fréquence de coupure f1 est adaptée à la vites- se prédéterminée de déplacement de la feuille (4), de manière à ce que la relation entre le rapport de cette vitesse et celui de la fréquence de coupure fl soit voisi- ne de vingt centimètres. En revanche, la valeur moyenne M du signal est obte- nue par un filtre passe-bas (36) de fréquence de coupure f2 variable. Le rapport entre la vitesse V de la feuille (4) analysée et cette fréquence de coupure f2 est voisine de deux mètres. La valeur efficace RMS est obtenue à l'aide du modu- le du calcul analogique (37) comprenant un filtre passe- bas intégré ayant une fréquence de coupure f3, identique à f2, de manière à ce que les résultats de la division soient cohérents. Les valeurs fl, f2 et f3 sont commutées ensemble. La division de la sortie de la valeur effective RMS en sortie de l'amplificateur (36) est effectuée par un module diviseur (38). Un comparateur (39) détecte et signale à l'aide d'une LED (40) une saturation du module RMS (37). Un amplificateur comparateur (41) détecte et signale à l'aide d'une LED (42) une tension inférieure à cent milli volts en sortie de (36). -8- Un voltmètre numérique (43) forme afficheur de l'appareil. Ce voltmètre (43) est alimenté à travers un pont diviseur au dixième, par le signal de sortie donné à l'amplificateur. Le réglage externe du zéro est effec- tué sur l'amplificateur (32) et est réalisé laser (5) éteint. Ainsi, le rapport 10 x RMS de sortie du module di- M viseur (38) s'affiche en volts. Dans la forme de réalisation simplifiée montrée à la figure 4, le signal issu de l'amplificateur (32) est séparé en deux composantes, l'une dirigée sur-un filtre passe-bas (44), l'autre sur un filtre passe-haut (45),lui-même associé à un module analogique RMS (46). Le filtre passebas et le module analogique RMS (46) sont connectés à un module diviseur analogique (47) qui, par un filtre passe-bas (48) optionnel, émet un signal de sortie (49) représentatif de la valeur I. Cette valeur I est affichée en (50) de manière connue, soit sur un af- ficheur numérique ou sur un afficheur enregistreur. L'appareil selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport a ceux proposés jusqu'à ce jour. On peut citer: - le- fait que cet appareil est facile à construire et à mettre en oeuvre; - le principe du calcul de l'indice I qui est simple - la mesure I de la formation effectuée est indépen- dante du grammage du papier traité puisque l'existence du quotient permet de s'affranchir du fait qu'une même qualité de formation donne plus de modulations au signal sur un papier de faible grammage que sur un papier épais; - grâce à l'utilisation d'un laser polarisé qui émet un faisceau mince, l'appareilest pratiquement in- sensible à des oscillations de la feuille,jusqu'à des amplitudes de l'ordre du centimètre; - grâce à l'intensité lumineuse importante du laser polarisé, l'appareil peut être utilisé sur des papiers 9- de fort grammage, même au-delà de 250 g/m2; - l'utilisation de lumiière polarisée qui permet d'atténuer considérablement l'influence des micro-trous ou vides qui existent dans la feuille (4) à analyser et influent considérablement la valeur de l'épair. De la sorte, cet appareil peut être utilisé avec succès sur les machines même de fabrication du papier, même sur des machines existantes, ce que l'on ne savait pas faire en pratique jusqu'alors. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Appareil pour mesurer en continu l'état de forma- tion d'une feuille de papier (4),qui comprend: - des moyens pour entraîner une feuille de papier (4) en mouvement à une vitesse prédéterminée; - une source lumineuse (5) dirigeant un faisceau laser (6) au travers-de ladite feuille (4); - un moyen (20) pour capter la lumière laser- - transmise (16), puis pour transformer cette lumière en un signal électrique; - des moyens électroniques de traitement pour sépa- rer ce signal électrique en deux composantes; - un moyen pour calculer à partir de ces composantes l'indice I représentatif de l'état de formation; - un afficheur de la valeur de cet indice I; caractérisé: - en ce que le faisceau laser (6) est polarisé - et en ce que l'appareil comprend, entre la feuil- le (4) et le moyen (20) pour capter la lumière laser transmise (16), un polariseur (18) dont l'axe de polarisa- tion est perpendiculaire à l'axe de polarisation du fais- ceau laser transmis (16). 2/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser (5) est un laser à gaz, notamment à Hélium-Néon. 3/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser (5) est un laser à semi-conducteur associé à un système optique de collimation. 4/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur (18) est associé à une lentille asphérique (19) 'qui projette l'image de la partie de la feuille (4) à analyser sur le moyen (20) pour capter la 1l -: lumière (16). / Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des passages aménagés (13/14) dis- posés sur le trajet du faisceau émis (6) réfléchi, les- dits passages présentant une arrivée latérale (21l22) d'air comprimé. 6/ Appareil selon l'une des revendications i à 5, caractérisé en ce que le moyen pour transformer la lumière laser transmise (16) polarisée (18) en signal électrique est un transducteur (20) et le signal élec- trique émis amplifié est séparé en deux composantes; l'une haute fréquence A, l'autre basse fréquence B par passage dans un ensemble comportant un filtre passe-bas et un filtre passe-haut. 7/ Appareil selon l1a revendication 6, caractérisé en ce que le signal électrique émis amplifié est séparé en deux composantes, l'une haute fréquence A, l'autre basse fréquence B par passage dans un filtre passebas (44) à la suite duquel on déduit la composante haute A par soustraction de la composante B du signal d'entrée. 8/ Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qque le moyen pour calculer l'indice I comprend: - un moyen (37) pour calculer la valeur efficace RMS de la composante haute fréquence A par un module analogi- que; - un moyen pour déterminer la valeur moyenne M de la composante basse fréquence B par un filtre passe-bas; (36); - un moyen (38) pour effectuer le rapport Valeur effective RMS à l'instant (t) Valeur numérique M au même instant (t) - 12 - 9/ Machine papetière comportant un appareil de mesure selon l'une des revendications 1 à 8. DEPOSANT: Centre Technique Industriel dit "CENTRE TECH- NIQUE DE L'INDUSTRIE DES PAPIERS, CARTONS ET CELLULOSES" (Loi du 22 Juillet 1948) MANDATAIRE: Cabinet Michel LAURENT