CN101896810A - 造纸机网毯条件的红外测量 - Google Patents
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Abstract
红外光谱学技术被用来测量i)湿物料片材中和支撑该片材的造纸机网毯中的湿度水平，以及ii)作为独立的材料层的网毯独自的湿度水平。差分测量由此产生湿物料片材独自的含湿量。在压榨部的网毯中的湿度水平的变化可与所生产的纸张质量或物理性质的对应变化相联系。固定点和扫描IR传感器被特别地设置在压榨部中以产生纵向和/或横向的水的概况，以便进行过程控制。
Description
技术领域
本发明一般涉及造纸机网毯(clothing)条件的监视和控制，更具体地涉及使用红外测量技术来在造纸过程不同阶段测量和控制压榨毛毯、干燥毛毯和纸产品中的含水量的方法。
背景技术
在连续造纸机上的纸张制造中，纸幅由行进筛网造纸织物上的纤维(物料)水性悬浮体形成，水由重力以及抽吸排出通过该织物。然后纸幅被传送到压榨部，在压榨部中更多的水通过压力和真空移除。接着，纸幅进入干燥部，在干燥部中蒸汽加热式干燥机和热空气完成干燥过程。在被干燥之后，纸张通常行进在用于施加期望平滑度的鼓轮之间。该过程被称为压光。然后典型地，纸张在造纸机末端的卷轴上被辊压为大直径纸卷。传统上，纸张的质量由具有传感器的质量控制系统测量，所述传感器典型地就位于造纸机卷轴之前。由于在造纸过程中很晚才测量纸张中的含水量，因此难以识别和校正质量问题的来源。
常称为“压榨毛毯”或“网毯”的造纸机压榨织物在压榨操作中发挥双重作用。其通过各种操作支撑并输送湿物料的纸幅，且帮助纸幅脱水。其还用作传动带以驱动压榨部的其他部件。类似地，干燥毛毯在造纸机的干燥部中支撑纸幅。典型的压榨织物运转包括张紧和定位辊，并包括用于对毛毯进行调整处理(conditioning)和脱水以使其保持可渗透和打开的装置。可使用各种机械和/或化学的调整处理法。大多数系统利用液压能(采用高低压喷头的形式)作为从织物结构上松脱和冲掉粉末和填料的主要装置。在冲淋处理之后，织物通过抽吸箱或“绞拧压榨”脱水。如果液压能本身不足以满足要求，则可添加用作溶剂和清洗剂的去垢剂和/或化学品。
即使当网毯被适当地调整处理和保持时，压榨毛毯和干燥毛毯的脱水特性在造纸机的正常操作期间也随时间而改变。这是由对织物的常规磨损(特别是如果该磨损不均匀)以及由没被所述调整处理移除的过多尘土的存在造成的。为了补偿脱水特性的波动，可操控其他机器变量以将纸幅质量保持在规格范围内。事实上，在织物到达可接受的操作条件之前，即使是新的织物通常也经历造纸机无法以最大速度进行操作的磨合期。最后，织物因过多的磨损或压实而被更换。
监视毛毯的技术原理使用微波来测量水的绝对水平并生成毛毯中的水的纵向(或称机器方向，MD)时间趋势和横向(或称横向于机器方向的方向，CD)概况(profile)。该测量典型地由技术操作员来执行，技术操作员在横穿过毛毯的宽度时使传感器压靠移动的毛毯的边缘。记录的读数产生湿度分布的概况。
该依靠个人的手灵巧度和技术的监视过程的缺点是明显的。除了成本、不一致性、固有的体力限度和涉及危险以外，也没有“实时”数据生成以进行过程控制。
本技术领域需要准确和精确的自动造纸机网毯监视系统，其能够用于检测网毯的物理特性的实时变化，这又能够被用来调节机器操作参数以补偿该变化。
发明内容
本发明一部分基于如下认识：红外(IR)光谱学可精确地测量i)存在于湿物料片材中以及在压榨部支撑该湿物料片材的造纸机网毯中的含水量，以及ii)作为独立的材料层的网毯独自的含水量。利用本发明，压榨部处网毯中的水量能够与所生产的纸张的质量或物理性质的对应变化相联系。就此而言，由IR测量推导出的信息允许压榨毛毯和干燥毛毯的条件受到监视和控制，这最终导致更一致和更高质量的纸产品。
按照一个方面，本发明致力于一种用于在纸张材料的制造期间监视连续循环的机器网毯的方法，该方法包括步骤：
a)操作所述连续循环的机器网毯，该连续循环的机器网毯具有包括内表面和外表面的相对的主表面，使得水性纤维组合物片材被支撑在所述循环的机器网毯的外表面的一部分上；
b)利用红外辐射照射所述循环的机器网毯的目标区域，其中所述目标区域位于所述循环的机器网毯的未支撑所述水性纤维组合物的部分；
c)检测从所述循环的机器网毯的所述目标区域出现的辐射量；以及
d)基于检测到的辐射量得出机器网毯概况。
按照另一方面，本发明致力于一种用于在纸张材料的制造期间对连续循环的压榨毛毯进行调整处理的方法，该方法包括步骤：
a)操作所述连续循环的压榨毛毯，该连续循环的压榨毛毯具有包括内表面和外表面的相对的主表面，使得水性纤维组合物片材被支撑在所述循环的压榨毛毯的所述外表面的一部分上；
b)利用红外辐射照射所述循环的压榨毛毯的目标区域，其中所述目标区域位于所述循环的压榨毛毯的未支撑水性纤维组合物片材的部分；
c)检测从所述目标区域出现的辐射量；
d)生成表示所述压榨毛毯中的含水量的信号；以及
e)响应所述信号使所述循环的压榨毛毯经历选择性的清洗和/或真空处理。
按照另一方面，本发明致力于一种控制纸张材料的生产的方法，其中包含纤维的湿物料片材初始时形成在脱水机的成形部的透水移动网上，之后所述纸幅物料的片材被传送到所述脱水机的压榨部，其中所述压榨部包括至少一个连续循环的压榨毛毯，该至少一个连续循环的压榨毛毯具有包括内表面和外表面的相对的主表面，该方法包括步骤：
a)操作所述连续循环的压榨毛毯，使得湿物料片材被支撑在所述循环的压榨毛毯的所述外表面的一部分上；
b)利用红外辐射照射所述循环的压榨毛毯的第一目标区域，其中所述第一目标区域位于所述循环的压榨毛毯的未支撑湿物料片材的部分；
c)检测从所述循环的压榨毛毯的所述第一目标区域出现的辐射量；
d)生成表示所述循环的压榨毛毯中的含湿量的信号；
e)利用具有对所述湿物料片材以及循环的压榨毛毯中的水敏感的预定波长的红外辐射，照射湿物料片材上的由所述循环的压榨毛毯支撑的第二目标区域；
f)检测从所述第二目标区域出现的辐射量；
g)生成表示所述湿物料片材以及所述循环的压榨毛毯中的含湿量的信号；
h)确定所述湿物料片材独自的含湿量并生成表示所述湿物料片材独自的含湿量的第三信号；以及
i)响应所述第三信号调节所述脱水机的至少一个操作参数。
附图说明
图1是造纸机中的压榨结构示意性侧视图；
图2A和图2B为传感器系统的示意图；以及
图3是典型的IR传感器响应的曲线图，其中的传感器响应由具有不同湿度水平的压榨毛毯样品获得。
具体实施方式
图1示出处于造纸机中的成形部的末端和干燥部的始端之间的压榨部。湿度检测传感器在片材前进通过压榨部时在战略上被设置为监视机器网毯以及湿物料和部分脱水的湿物料片材的含湿量。本发明的一个特征在于：在压榨部较早地识别潜在的纸张缺陷源，可在受到阻止或复杂化该缺陷源的识别的其他机器元件的影响之前启用校正动作。
如图1所示，压榨部为迷宫式，包括多个操作的无限循环回路，湿物料片材通过这些回路被转变为部分脱水的湿物料片材。该示例性压榨结构包括三个独立的闭合回路，这些回路包括：1)上压榨毛毯8，2)下压榨毛毯20，以及3)干燥毛毯32。压榨毛毯8和20用作贮存器，以通过压榨和毛细作用来收集(吸收)湿物料片材中的水。成形网、压榨毛毯和干燥毛毯被普遍称为造纸网毯。在部分脱水的湿物料由干燥毛毯32承载时，干燥毛毯32被加热，水从该部分脱水的湿物料中蒸发。
参照图1，具有10％-20％纤维的水性湿物料2的片材从成形部的网6被运送到湿压榨部。具体而言，随着片材变得布置在上压榨毛毯8与下压榨毛毯20之间，湿物料2的片材通过抽吸被传送到上压榨毛毯8的底侧，之后由上压榨毛毯8上的表面张力保持和支撑。夹在两个毛毯之间的湿物料片材朝向由压榨辊10和22形成的压榨压区前进，在压榨压区处的挤压驱使水离开湿物料而至毛毯中。在退出湿压榨步骤时，包含约50％的干燥量的部分脱水的和固结的片材被传送到第一干燥毛毯32，在片材穿过使一些残留水通过蒸发移除的干燥缸34和36时，该第一干燥毛毯32承载并支撑该片材。然后片材被传送到被干燥缸38加热的第二干燥毛毯44。(仅一个干燥缸被示出，但市场流通的造纸机典型地具有三十到六十个干燥缸。)在方法中的该阶段，包含约10％的湿度的相对较薄片材的干燥纸产品4能够进行进一步的造纸处理，例如涂布和压光，在这些处理下含湿量被减少到约5％。
IR传感器被配备用于监视如下物体中的含湿量：i)湿物料(或者部分脱水的湿物料)片材以及所结合的毛毯，以及ii)毛毯独自。具体而言，关于上压榨毛毯8，固定(静止)IR点传感器12沿上压榨毛毯8的顶侧设置，固定IR点传感器28沿上压榨毛毯8的底侧设置。IR点传感器被配置为仅测量压榨毛毯的与湿物料片材接触的一侧。固定点传感器仅生成来自沿横向的移动片材的一个区域的数据的时间系列，但其不会产生CD概况。由于上压榨毛毯8的顶侧没有湿物料片材，所以固定点IR传感器28用于直接测量上压榨毛毯8独自的含水量。然而，在压榨部的始端，湿物料片材由沿上压榨毛毯8底侧的表面张力支撑，因此存在于湿物料片材和上压榨毛毯8二者中的含湿量由固定点IR传感器28同时测量。应该注意到，在固定点IR传感器28的位置处的上压榨毛毯8也包含大量的水。很明显，通过从上压榨毛毯28和湿物料片材的总含水量中减去上压榨毛毯8的含水量，该间接差分测量提供湿物料片材自身的含水量的良好近似值。此外，通过在压榨部监视湿物料片材中的含水量，造纸过程的适当操作参数可响应含水量的波动而得到调节，从而干燥纸张4展示出所需的湿度和其他物理属性。
已经证明，由于结构完整性的损失，对压榨毛毯的常规磨损减小其吸收和保持水的能力；该能力还因存在于压榨毛毯上的残留物而受到不利地影响，所述残留物一般在压榨毛毯的调整处理期间被移除。本发明的一个方面在于：压榨毛毯的含湿量数据可被用于控制调整处理过程。例如，关于上压榨毛毯8，来自固定点传感器12的含水量信号可用于1)控制清洗部16和真空(干燥)部14的操作以将毛毯中的水量保持在期望范围内，和/或2)确定毛毯的清洗和干燥设备的效率。对机器网毯进行调整处理的方法描述在MacHattie等人的美国专利申请公开2007/0151690中，其通过引用合并于此。而且，当压榨毛毯保持水的能力减小到不可接受的水平(不管是否进行了调整处理)时，则压榨毛毯已到达其使用寿命的尽头且必须被更换。
类似地，对于下压榨毛毯20，毛毯中的含水量由扫描IR传感器30测量，该扫描IR传感器30位于毛毯到达由压榨辊10和22形成的压榨压区之前的毛毯上的位置。来自IR传感器30的信号可用于控制由清洗部26和真空部24执行的调整处理过程。
关于第一干燥毛毯32，该毛毯的含水量由固定点IR传感器40测量，该固定点IR传感器40沿循环的毛毯的上表面定位。另外，就在片材到达干燥缸34之前，扫描IR传感器42测量存在于部分脱水的湿物料以及第一干燥毛毯32二者中的含湿量。除此之外，由IR传感器40和42生成的信号可一同用于计算部分脱水的湿物料片材在IR传感器42的位置处的湿量。
最后，关于第二干燥毛毯44，存在于该毛毯中的湿量由固定点IR传感器46监视。
在压榨部的操作期间，湿物料片材厚度可沿支撑该片材的毛毯的横向变化。事实上，毛毯的沿边缘的表面可能不会与片材完全接触。而且，残留物往往堆积在经常不会受到调整处理过程清洗的边缘处。因此，固定点IR传感器应该被设置为充分远离边缘且朝向毛毯的中心，以使残留物不会干涉测量。对于具有4米或更大宽度的毛毯，传感器应被设置在距边缘至少约0.5米处。很明显，各个固定点IR传感器12、28、40和46可由沿毛毯的横向设置的多个IR传感器或由扫描IR传感器代替。这些机构将产生横向测量。关于扫描IR传感器，在线测量可易于通过安装在线IR传感器获得，该在线IR传感器沿横向扫描纸张的移动片材和/或毛毯。合适的光纤扫描机构被描述在Beselt等人的美国专利申请公开2006/0109519中。
在本发明中用于测量湿度的合适的IR传感器被描述在Haran等人的美国专利申请公开2006/0243931中，其通过引用合并于此。图2A和图2B示出示例性IR传感器，其被并入包括两个高亮度发光二极管(SLED)50、52的测量系统中，这两个高亮度发光二极管(SLED)分别由驱动器54和热均衡控制电路56控制。来自两个SLED的光被耦合到单模光纤64中，该单模光纤64将光传递到被支撑在扫描机构的导轨上的传感器头部70。该传感器头部70将光重新引导到湿物料片材或纸张或网毯，捕获从片材或网毯散回的光，并将该光耦合到多模光纤66中，该多模光纤66将散回的光引导到检测器58。检测器58(例如砷化铟镓(InGaAs)检测器)被连接到锁定放大器60和62，在该锁定放大器处信号被解调为所使用的两个不同波长的光。该测量电路和其他传感器的信号通过计算机和软件系统68进行分析。IR传感器优选被配置为以反射模式操作，如上所述。可替换地，其能够以发送模式操作，在该发送模式下独立的检测器设置在湿物料、纸张或网毯的相对侧以捕获传送的光。在任一情况下，从材料中出现(反射或传送)的光包含关于纸张、织物或纸张和织物的组合中的含湿量的信息，并针对含湿量进行分析。
典型地，两个SLED中的一个发出吸水峰值的光，另一个SLED发出在光谱中接近该吸水峰值但不同于该吸水峰值的光以使其用作参照。两个光源被调制为不同频率，且该调制光源被耦合到单一光纤电缆。合适的水敏感吸收峰值在1.4μm至1.6μm的辐射范围左右，对应的吸水峰值以外的值在1.2μm至1.3μm的辐射范围。
优选地，如图2B所示的测量系统的敏感电子元件位于距压榨部的恶劣环境遥远的静止区域中。在该造纸机以外的设计中，来自IR源的光通过光纤电缆被引导到扫描器头部，由扫描器头部捕获的散射光通过光纤电缆被引导回检测器。按照该方式，在用光纤扫描器进行水湿测量时，仅扫描器头部和连接光纤电缆沿横向来回移动。通过适当的校准，测量信号可产生单位为千克每平方米(gsm)水重或者单位为湿度百分数或干度百分数的含水量。
装备有两个SLED光源(一个发出1.3μm的吸收波长的光，另一个发出1.4μm的参照波长的光)的IR传感器用于监视在商业流通的造纸机中使用了约一个月的压榨毛毯的样品中的含湿量。3.5英寸(8.9cm)×3.5英寸(8.9cm)的正方形毛毯样品从边缘的不与湿物料片材接触的一部分中移除。该样品首先在热水浴中洗涤，超声清洗1小时，再次洗涤，然后在105℃的炉子中干燥一夜。该样品重1262.02gsm。在该样品被放置在封装室内的称量台之前，水分布在该样品上。随着样品被干燥，逐渐减小的重量被记录，同时IR传感器检测从该样品反射的吸收波长和参照波长的光。工作率(working ratio)为测量的参照波长的反射强度与测量的吸收波长的反射强度的比率。
图3为含湿量与工作率的曲线图，其表明：基于该毛毯样品，任何校准的准确度取决于所要求在其上进行校准拟合(calibration fit)的范围，所述校准拟合取决于针对特定毛毯和应用我们期望看到的湿度百分比。数据分析表明：用于校准的含湿量范围越小，准确度越高。
以上描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应被诠释为限于所论述的特定实施例。因此，上述实施例应被视为示例性的而不是限制性的，应该理解的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对这些实施例进行改变。
Claims (10)
1.一种用于在制造纸张材料期间监视连续循环的机器网毯的特性的方法，该方法包括以下步骤：
a)操作所述连续循环的机器网毯(8)，该连续循环的机器网毯具有包括内表面和外表面的相对的主表面，使得水性纤维组合物片材(2)被支撑在所述循环的机器网毯(8)的所述外表面的一部分上；
b)利用红外辐射照射所述循环的机器网毯(8)的目标区域，其中所述目标区域位于所述循环的机器网毯(8)的未支撑所述水性纤维组合物的部分处；
c)检测从所述循环的机器网毯(8)的所述目标区域出现的辐射量；以及
d)基于所检测到的辐射量得出机器网毯概况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述红外辐射包括对水敏感的第一波长区域和对水较不敏感的第二波长区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤c)包括：检测从所述目标区域反射的或通过所述网毯(8)传送的辐射量。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
e)利用红外辐射照射所述水性纤维组合物(2)片材的被支撑在所述连续循环的机器网毯(8)上的部分；
f)检测从所述水性纤维组合物片材(2)以及所述循环的机器网毯(8)出现的辐射量；
g)确定所述水性纤维组合物(2)以及所述循环的机器网毯(8)的第一含湿量；
h)确定所述循环的机器网毯(8)本身的第二含湿量；以及
i)从所述第一含湿量中减去所述第二含湿量以确定所述水性纤维组合物片材(2)的含湿量。
5.一种用于在制造纸张材料期间对连续循环的压榨毛毯进行调整处理的方法，该方法包括以下步骤：
a)操作所述连续循环的压榨毛毯(8)，该连续循环的压榨毛毯具有包括内表面和外表面的相对的主表面，使得水性纤维组合物的片材(2)被支撑在所述循环的压榨毛毯(8)的所述外表面的一部分上；
b)利用红外辐射照射所述循环的压榨毛毯(8)的目标区域，其中所述目标区域位于所述循环的压榨毛毯的未支撑水性纤维组合物片材的部分处；
c)检测从所述目标区域出现的辐射量；
d)生成表示含水量的信号；以及
e)响应所述信号使所述循环的压榨毛毯(8)经历选择性的清洗和/或真空处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤b)包括：沿与所述循环的压榨毛毯(8)的方向垂直的横向进行照射，从而使得步骤c)包括：检测沿所述循环的压榨毛毯(8)的横向出现的辐射量。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括基于所述信号得出水的概况的步骤，并且其中步骤e)包括：基于所述水的概况使所述循环的压榨毛毯(8)经历选择性的清洗和/或真空处理。
8.一种对纸张材料的生产进行控制的方法，其中包含纤维的湿物料片材初始时形成在脱水机的成形部的透水移动网上，之后已部分地脱水的纸幅物料的片材被传送到所述脱水机的压榨部，其中所述压榨部包括至少一个连续循环的压榨毛毯，该至少一个连续循环的压榨毛毯具有包括内表面和外表面的相对的主表面，该方法包括以下步骤：
a)操作所述连续循环的压榨毛毯(8)，从而使得部分脱水的湿物料片材(2)被支撑在所述循环的压榨毛毯(8)的所述外表面的一部分上；
b)利用红外辐射照射所述循环的压榨毛毯(8)上的第一目标区域，其中所述第一目标区域位于所述循环的压榨毛毯(8)的未支撑部分脱水的湿物料片材的部分处；
c)检测从所述循环的压榨毛毯(8)的所述第一目标区域出现的辐射量；
d)生成表示所述循环的压榨毛毯(8)中的含湿量的信号；
e)利用红外辐射照射部分脱水的湿物料片材上的由所述循环的压榨毛毯(8)支撑的第二目标区域；
f)检测从所述第二目标区域出现的辐射量；
g)生成表示所述部分脱水的湿物料片材(2)以及所述循环的压榨毛毯(8)中的含湿量的第二信号；
h)确定部分脱水的湿物料片材(2)独自的含湿量并生成表示所述部分脱水的湿物料片材(2)独自的含湿量的第三信号；以及
i)响应所述第三信号调节所述脱水机的至少一个操作参数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤b)包括沿与所述循环的压榨毛毯的方向垂直的横向进行照射，从而使得步骤c)包括检测沿所述第一目标区域的横向出现的辐射量，并且步骤e)包括沿与所述循环的压榨毛毯垂直的横向进行照射，从而使得步骤f)包括检测沿所述第二目标区域的横向出现的辐射量
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括步骤：基于所述第三信号得出所述部分脱水的湿物料片材的湿度概况，并且步骤i)包括根据所述湿度概况调节至少一个操作参数。
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