Brevet FR2620823A1 — publié le 19890324

DISPOSITIF POUR DETERMINER EN CONTINU UN INDICE D'ETAT DE SURFACE D'UN MATERIAU EN FEUILLE EN MOUVEMENT. La présente invention se rapporte à un dispositif pour déterminer en continu un indice d'état de surface d'un matériau en feuille en mouvement, notamment d'une feuille de papier en mouvement. Par "indice d'état de surface",on désigne une valeur reflétant les variations d'ondulation de la surface d'un matériau en feuille suivant l'une des dimensions, par rapport à la surface plane du même matériau. L'industrie papetière fabrique de grandes quantités de papiers dits ouatés ou crépés, c'est à dire de papiers présentant des ondulations difficilement visibles à l'oeil nu. Ce type de papier est notamment utilisé pour ses qualités d'absorption dues à l'augmentation de sa densité superficielle inhérente à la présence des ondulations. Il est généralement "marié" un nombre variable de fois avec du papier du même type afin d'obtenir l'épaisseur voulue en fonction de l'usage qui lui est destiné (essuie-tout, serviette,etc.) De manière connue, la fabrication du papier crêpé ou microcrêpé s'effectue en continu au moyen d'un cylindre en rotation (10 à 30 mètres par seconde à sa périphérie) de grande dimension (4 à 7 mètres de diamètre - largeur de plusieurs mètres) dénommé "yankee" dans la profession. On dépose le papier encore très humide (cinq fois plus d'eau que de fibres) sur le yankee en rotation,permettant ainsi de le sécher partiellement. Une râcle de dimension correspondant à la génératrice du yankee est maintenue au contact de ce dernier. Le rôle de la râcle consiste à provoquer le crêpage du papier, c'est à dire des -2ondulations sensiblement perpendiculaires au sens de déplacement de la feuille de papier, et de dimensions dépendant de l'utilisation voulue. La râcle est généralement constituée d'une lame en acier interchangeable. En effet,le yankee étant réalisé en fonte, et du fait de sa vitesse de rotation élevée d'une part, et de l'appui permanent de la racle sur ce dernier d'autre part,on observe une usure très rapide de la racle qui doit être changée fréquemment, faute de quoi son extrémité en contact avec le yankee prend une forme biseautée, provoquant un crêpage irrégulier, voire inexistant. On ne connait pas actuellement de méthodes de contrôle de la qualité du crêpage autre que l'observation visuelle et donc subjective. Un des critères de qualité de crêpage est la hauteur des ondulations, dont l'amplitude est directement liée à trois paramètres: - l'usure de la racle, pour les raisons mentionnées précedemment - la composition de la pâte à papier - la qualité de la couche d'hémicellulose, appelée "peau", liée à la qualité de la pâte à papier,qui recouvre le yankee, et qui joue le rôle d'adhésif pour le papier pendant la phase de crêpage. En effet, en son absence, on observe,outre une usure accélérée de la racle, un crêpage irrégulier, voire la cassure du papier. L'un des buts de la présente invention appliquée à l'industrie papetière, est de garantir la qualité du papier crêpé et d'assurer une surveillance de l'usure de la racle. -3- Un autre but de la présente invention est de mesurer en continu l'amplitude des ondulations de tout type de matériau en feuille, ayant subi un crêpage ou un traite- ment analogue La présente invention propose un dispositif pour déterminer en continu un indice d'état de surface d'un matériau en feuille en mouvement. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comprend: - une source lumineuse émettant un rayon laser diri- gé sur la surface de la dite feuille en mouvement; - un système optique astigmate destiné à adapter, au niveau de la feuille, la dimension du rayon laser au pas moyen des ondulations présentes au sein de la feuille; - un système optique convergent, disposé du même côté que la source lumineuse par rapport à la feuille: - un capteur de position dont la surface sensible reçoit au moins une partie de la lumière rétrodiffusée et/ou réfléchie et concentrée par le système optique con- vergent, ledit capteur délivrant au moins une information électrique fonction de la position du point d'impact du faisceau lumineux délivré par le système optique conver- gent sur la surface sensible; - un moyen pour déterminer un indice d'état de surface à partir des dites informations électriques. En d'autres termes, l'invention se caractérise en ce que l'on mesure l'amplitude des ondulations par la métho- de des proximètres optiques, et que l'on restitue cette mesure sous forme d'un signal électrique directement utilisable. - 4 - Avantageusement, en pratique: - la source lumineuse est un laser Hélium-Néon ou un laser à semi-conducteur associé à un système optique de collimation; - le système optique astigmate adapté à la source laser est destiné à allonger la section du faisceau laser parallèlement aux ondulations de la feuille analysée - le signal fonction des variations de position est filtré en passe-haut afin d'éliminer les basses fréquen- ces parasites - le signal filtré est traité par au moins un module permettant de déterminer au moins l'une des valeurs sui- vantes: crête à crête; 15. valeur efficace dite RMS - le dispositif comprend également un module destiné à évaluer le facteur de forme du signal filtré à partir des indications données par le module RMS et le module crête à crête - le matériau analysé est du papier crêpé _ le dispositit comprend également un moyen pour envoyer de l'air comprimé au niveau des systèmes optiques etde la surface sensible du capteur de position, destiné àempêcher le dép6t d'impuretés, par exemple de fibres ou de charges La manière dont l'invention peut être réalisé et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exem- ple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation du schéma optique du dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est un synoptique des modules de traite- ment du dispositif conforme à l'invention - La figure 3 est une représentation du résultat obte- nu sur un oscilloscpe cathodique au moyen du dispositif conforme à l'invention. L'exemple de réalisation qui va être décrit concerne un dispositif adapté pour déterminer en continu un indice de crêpage'd'une feuille de papier crêpé en mouvement.Il concerne notamment un dispositif apte à être monté sur la chaine de fabrication du dit papier, à l'issue de son passage sur le yankee, juste avant d'être stocké sur le cylindre bobineur.Toutefois, il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à cette forme de réalisation, et que le dispositif décrit pourrait tout aussi bien être adapté à tout type de matériau en feuille présentant des variations superficielles. Le dispositif selon l'invention comprend un laser Hélium-Néon (1) émettant un faisceau polarisé,d'une puis- sance de deux milliwatts. Ce laser (1) est alimenté de manière connue au moyen d'un câble relié à une alimenta- tion classique. De façon avantageuse, le faisceau laser n'est pas dirigé perpendiculairement sur la feuille de papier crêpé (2) en mouvement,afin de ne pas fausser les mesures effectuées. A l'issue de la source laser,le fais- ceau traverse un système optique constitué par une len- tille astigmate cylindrique (3) de cent millimètres de focale, destiné à allonger la tache du faisceau laser sur la feuille (2) dans le sens parallèle aux ondulations du papier crêpé. En d'autres termes, la lentille (3) a pour but de transformer la tache quasi-circulaire en une el- lipse, dont l'épaisseur est inférieure au pas moyen du crêpage. Par "pas" du crêpage, on entend la distance moyenne séparant deux crêtes consécutives des ondulations constitutives du dit crêpage. De plus, le fait d'utiliser une ellipse (100 x 800 micromètres) et non plus une tache -6- circulaire permet d'éliminer l'influence des trous de pe- tite dimension fréquents dans les papiers crêpés, qui fausseraient les mesures effectuées. En effet, dans le cas o une tache circulaire passe sur un trou, l'absence de lumière rétrodiffusée perturbe la mesure. Le faisceau laser est réfléchi ou rétrodiffusé sur la feuille (2) en mouvement, et vient traverser un autre système optique à deux lentilles (4), destiné à former une image dans le plan défini par la surface sensible du capteur de position (5), situé derrière ledit système optique (4). On a choisi un système à deux lentilles afin de pouvoir corriger les aberrations optiques. Le capteur de position (5) est constitué d'une cel- lule au silicium, du type LSD 30 D, commercialisée par la société United Detector Technology. Cette cellule possède deux connexions de sortie (6,7) munies d'un convertis- seur courant-tension (8,9).Chacune de ces sorties délivre un signal électrique lorsqu'elle reçoit un faisceau lumi- neux, ce signal étant une fonction combinée de la quantité de lumière reçue et de la position du point d'impact du dit faisceau par rapport aux deux extrémités de la cellule. Si l'on appelle X et Y les valeurs des intensités respectives au niveau des deux sorties (6,7), si la longeur de la cellule est normée et prise égale à l,et si le point d'impact de faisceau laser réfléchi et/ou rétrodiffusé sur la dite cellule est à une distance a de l'extrémité (6) de la cellule, donc à une distance (1 - a) de l'extrémité (7) avec les conventions précéden- tes, enfin si l'éclairement au niveau de la cellule (5) a pour valeur E, alors on peut écrire: X =E a Y = E. (1 - a) -7- Après leur passaqe au sein d'un convertisseur cou- rant-tension (8,9), ces signaux sont transféras a un conditionneur analogique, qui effectue la relation: X - y E (2a - 1) 2a - S = - = =2a - 1 X + Y E Ainsi, le signal de sortie S du conditionneur est donc indépendant de la valeur E de l'éclairement. Il constitue de fait une mesure de la position de l'impact du faisceau laser sur la feuille (2) en mouvement. En effet, si l'on fait varier la position du capteur (5) par rapport à la feuille (2), ou l'inverse, le point d'impact du faisceau laser sur la cellule (5) va varier, de même que la valeur a. Le conditionneur est en fait constitué de trois am- plificateurs, un premier (10) destiné à réaliser l'opéra- tion somme X + Y, un deuxième (11) destiné à réaliser l'opération différence X - Y,et un troisième (12) réali- sant l'opération quotient S. Le signal de sortie S du conditionneur est alors filtré au moyen d'un filtre passe-haut (13) du premier ordre. En effet, afin de ne pas entacher d'erreur les mesures effectuées, il est nécessaire d'éliminer les ondulations parasites, dont les fréquences sont générale- ment beaucoup plus basses. Il est à noter que ce filtre est adaptable en fonction des vitesses de défilement de la feuille (2) et des ondulations de surface rencontrées. Le signal issu du filtre passe-haut (13), et dont la figure 3 montre l'allure sur un oscilloscpe, est alors traité suivant un circuit de calcul de valeur RMS, ou valeur efficace, monté en parallèle avec un circuit de calcul de l'amplitude crête à crête de la modulation. -8- Le module RMS (14) est un module de calcul analogi- que comprenant de manière classique un filtre passe-bas intégré.Le circuit crête à crête (15) est composé de deux modules en parallèle, l'un calculant la valeur minimum d'une modulation, l'autre calculant la valeur maximum de la dite modulation, un troisième module effectuant la dif- férence de ces deux valeurs. Enfin, afin d'obtenir un signal représentatif du facteur de forme de la modulation analysée, un module diviseur (16) détermine le quotient du signal RMS sur le signal crête à crête. Compte-tenu des vitesses de fabrication du papier crêpé, les fréquences détectées par le capteur doivent être de l'ordre de plusieurs dizaines de kilohertz, ce qui entre largement dans les possibilités du capteur utilisé. De plus,le grandissement du système à deux lentilles est voisin de cinq, ce qui lui confère au niveau de la feuille analysée (2) une résolution potentielle de la mesure de la hauteur d'ondulations de l'ordre du micromètre. Le signal restitué sur un enregistreur graphique, permet de suivre en temps réel l'évolution du crêpage sur une machine. Notamment, l'évolution de l'usure des râcles est particulièrement décelable. En effet, on assiste à l'évolution de la hauteur de crêpage avec l'usure des râcles. Avantageusement, le dispositif conforme à l'invention comprend un moyen (non représenté), destiné à envoyer de l'air comprimé au niveau des systèmes optiques (3,4) et de la sur- face sensible du capteur de position (5), afin d'empêcher le dépôt d d'impuretés, telles que par exemple de fibres ou de charges. -9- De la présente invention ressort une pluralité d'avantages, qu'aucun dispositif ne permettait d'obtenir jusqu'alors. On peut citer: - la possibilité d'un contrôle en continu et permanent de l'état de surface d'une feuille; - la possibilité d'assurer la surveillance du bon fonctionnement de la machine de fabrication; - dans l'exemple de réalisation, la possibilité de déterminer les variations d'épaisseur de la feuille, par le biais de la mesure de la hauteur de crêpage; - le contrôle de l'usure de la râcle; - un gain de temps, du fait de la facilité accrue des réglages à opérer afin d'obtenir un produit de carac- téristiques déterminées. La présente invention est susceptible de présenter un certain nombre d'applications, notamment, l'étude des papiers crêpés et microcrêpés. De même, elle est susceptible d'être utilisée pour l'analyse de l'état de tout type de surface en défilement, par exemple des tissus, films, etc. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour déterminer en continu un indice d'état de surface d'un matériau en feuille en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend: - une source lumineuse (1) émettant un rayon laser dirigé sur la surface de la dite feuille en mouvement (2) - un système optique astigmate (3)destiné à adapter, au niveau de la feuille, la dimension du rayon laser au pas moyen des ondulations présentes au sein de la feuille en mouvement (2); - un système optique (4) convergent, disposé du même côté que la source lumineuse (1) par rapport à la feuil- le - un capteur de position (5), dont la surface sensible reçoit au moins une partie de la lumière rétrodiffusée et/ou réfléchie et concentrée par le système optique convergent, ledit capteur (5) délivrantau moins une infor- mation électrique, fonction de la position du point d'impact du faisceau lumineux délivré par le système op- tique convergent (4) sur la surface sensible - un moyen (14,25) pour déterminer un indice d'état de surface à partir des dites informations électriques. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface sensible du capteur de position (5) est une cellule opto-électronique. 3/ Dispositif selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le laser (1) est un laser à gaz, notamment à Hélium-Néon. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le laser (1) est un laser à semi- conducteur associé à un système optique de collimation. - 11 - / Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système optique astigmate (3) adapté à la source laser (1) est destiné à allonger le rayon laser parallèlement par rapport aux ondulations de la feuille analysée (2). 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le signal fonction des variations de position est filtré en passe-haut afin d'éliminer les basses fréquences parasites 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le signal filtré est traité par au moins un module (14,15) permettant de déterminer au moins l'une des valeurs suivantes: crête à crête; valeur efficace dite RMS. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend également un module (16) destiné à évaluer le facteur de forme du signal filtré à partir des indications données par le module RMS (14) et le module crête à crête (15). 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau analysé est du papier crêpé. / Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour envoyer de l'aircomprimé au niveau des systèmes optiques (3,4) et du capteurde position (5).