CN102782484B - 纸张重量及水分量的测定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供纸张重量及水分量的测定方法和装置。使用微波共振器测定共振频率偏差量Δf和峰值水平变化量ΔP，根据V1＝(Δf·ε”2/Kf-ΔP·ε’2/Kp)/(ε’1·ε”2-ε”1·ε’2)、V2＝(Δf·ε”1/Kf-ΔP·ε’1/Kp)/(ε”1·ε’2-ε’1·ε”2)求出V1及V2，进而根据绝干纸张重量＝β·V1、水分量＝γ·V2求出绝干纸张重量及水分量。常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2以Kf及Kp的分散值变得小于规定值的方式确定ε’1、ε’2、ε”1及ε”2。
Description
技术领域
本发明涉及以联机方式测定片状物质、尤其是纸片的纸张重量(每1平方米的重量)及水分量的方法和装置。
背景技术
在纸的制造工序中，以联机方式测定纸张重量(每1平方米的重量)及水分率是非常重要的，纸张重量(grammage：坪量：平方米克重)是在纸的品质方面及商业交易中重要的管理項目。目前，通常使用BM计(BasisWeight & Moisture Measurement System：纸张定量&湿度测量系统)，根据β线的透射衰减量求出纸的纸张重量，根据近红外线的吸收量求出纸的水分。通过BM计得到的纸张重量测定值被认为可靠性最高。
在测定纸张重量时，使用从Kr85(氪)或Pm147(钷)等放射线源得到的β线。当纸张重量大时，β线的衰减量大，当纸张重量小时，衰减量小，因此，β线的透射量与纸张重量处于接近反比例的关系。为了正确地求出纸张重量，使用表示β线的透射量和纸张重量的关系的校准线。
作为测量水分的近红外线，通常使用基准光、测定光及修正光这三种。基准光的波长为1.8μm，该波长光不会因水分而衰减。测定光的波长为1.9μm，该波长光因水分而衰减。修正光的波长为2.1μm，该波长光不受到纤维素的影响。通过以校准线的方式预先研究出基于水分确定的测定光的衰减量和水分量的关系，从而能够求出正确的水分量。
在现有的BM计的纸张重量测定使用β线，因此作为线源必须使用氪85或钷147等放射线源。放射线源可能对人体造成不良影响。因此，必须在测定时设立禁止通行区域以避免靠近线源，或使在附近作业机会多的人带有携带胶片式射线计量器的义务，定期检测接受的放射线量。另外，要需要配备能够处理放射线的负责技术人员，其要求充分注意放射线的处理并具有处理放射线的专业知识。
作为避免使用放射线源而导致的上述课题的方法，本发明人等提出了以不使用放射线的方式来测定纸等的片状物质的纸张重量及水分的方法(参照专利文献1)。该提出的方法是使用微波电介体共振器来同时测定纸张重量和水分的方法，作为以联机的方式测量纸的纤维取向等的采样的电感应的各向异性的装置的应用，示出了除了纤维取向以外还能够同时测定纸张重量及水分量的技术。根据该提出的方法，纸张重量根据未配置采样时的共振频率和配置了采样时的共振频率的差即共振频率偏差量来求出，水分量根据未配置采样时的共振频率下的峰值水平和配置了采样时的共振频率下的峰值水平的差即共振峰值水平变化量来求出。
【先行技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2006-349425号公报(美国专利第7、423、435B2号公报)
在通过提出使用微波电介体共振器的方法同时测定纸张重量和水分量的情况下，若水分量恒定，则如图19所示，能够以非常高的测定精度来测定纸张重量。图19是在使长条的纸采样相对于微波电介体共振器以760m/分的速度进行供给的同时进行联机测定得到的结果，其测定了在将水分量保持成恒定的情况下纸张重量从60.0g/m2变化至49.3g/m2的部分。
另外，若水分量恒定，则如图20的上图所示，对于纸张重量不同的各种纸的品种而言，在共振频率偏差量和基于BM计的纸张重量的测定结果之间表现出很强的相关关系。因此可知，通过对共振频率偏差量乘以系数，如图20的下图所示，能够正确地测定纸张重量。
然而，不仅仅是电介体共振器，在为空洞共振器的情况下，在使用微波共振器测定纸张重量时，测定的纸张重量的值受水分量的影响这一情况也得以明确。例如，图21是使用电介体共振器通过与图19同样的联机测定来测定纸张重量和水分率时的显示画面。这种情况下，虽然为纸张重量恒定的纸的采样，但在使水分率从2.7％变化至5.8％时，纸张重量的测定值也发生了变化。图21的显示画面的纸张重量作为与共振频率偏差量成比例的数据算出，水分率根据共振峰值水平变化量算出。进而，在图21中，用于比较的基于BM计的纸张重量(B)和水分率(M)的测定结果也以数值的方式被表示。
需要说明的是，在本说明书中，作为与水分的量相关的用语将“水分率”和“水分量”作为相同的用语而均进行使用。“水分率”和“水分量”存在下述关系：
水分率＝(水分量/(绝干纸张重量+水分量)×100(％)
(绝干纸张重量为水分率是0％时的纸张重量)。
发明内容
本发明的目的在于能够排除使用微波共振器测定纸张重量时的水分量(水分率)的影响而正确测定纸张重量。
【用于解决课题的手段】
在使用了微波共振器的纸张重量测定中，对纸张重量受到水分量的影响的原因进行研究的结果是，该原因在于，纸张重量由共振频率偏差量计算，该共振频率偏差量与从绝干(水分率为0)的纸的介电常数减去1得到的值和纸的厚度的乘积成比例，在计算上没有考虑水分造成的影响。在共振频率偏差量的测定结果上增加了基于纸的绝干部分的共振频率偏差量，因水的介电常数而产生的共振频率偏差量被加算。水的介电常数大，在4GHz下约为80左右，因此无法忽视其对共振频率偏差量的结果造成的影响。
本发明基于上述考虑，通过计算来排除因水的介电常数产生的共振频率偏差量而从纸张重量测定值中排除水分的影响。
首先，说明测定纸张重量及水分量(或水分率)的装置的简要情况。
在使用微波共振器不测定纸的纤维取向而测定纸的纸张重量和水分量的情况下，必须消除介电常数的各向异性。作为消除方法，具有使用例如一个微波共振器的方法。微波共振器可以为空洞共振器，也可以为电介体共振器。此时，在为空洞共振器的情况下，使用圆筒空洞共振器或球形空洞共振器等，如例如电场向量成为环状的TE011模式那样，选择电场向量不向某一方向偏斜的共振模式。在为电介体共振器的情况下，当然优选渐逝波的电场向量不向某一恒定方向偏向，而使用圆柱型电介体共振器选择成为朝向四面八方的电场分布或成为环状的电场分布等的电场分布的共振模式。这种情况下，可以直接使用无采样时和有采样时的通过共振器得到的共振频率偏差量和共振峰值水平变化量来算出纸张重量和水分量。
在作为以联机的方式计测纸的纤维取向等采样的电感应的各向异性的装置的应用来同时测定纸张重量及水分量时，反而存在受到采样的介电常数各向异性的影响的问题。介电常数为张量因此根据方向不同其值也不同，但纸张重量和水分量为标量，因此不会因方向不同而值不同。在测定纸张重量或水分量时，如何消除该介电常数各向异性成为课题。
说明在计测采样的电感应的各向异性的装置中消除采样的介电常数各向异性的方法。图2A和图2B中示出矩形的微波电介体共振器的示意外观图。图2A为俯视图，图2B为通过其天线2a、2b的位置处的垂直剖视图。电介体共振器1通过一方的天线2a激发，从另一方的天线2b进行输出。共振器1和天线2a、2b收容在屏蔽壳体4内。
大部分的共振能被封闭在共振器1的内部，但一部分作为渐逝波向表面渗出。在为矩形的电介体共振器的情况下，通过适当选择共振模式，能够使向共振器表面渗出的电场分布与长边方向平行。在此，使用电场分布成为与长边方向平行那样的共振模式。渐逝波6的电场向量的几乎全部平行，能够测定采样8的介电常数各向异性即取向性。
在使采样8与电介体共振器1的上表面接近或接触配置时，如图3那样，共振频率与渐逝波6的电场向量方向的介电常数对应地向低频率侧偏移。使该共振频率偏差量为Δf。共振频率偏差量定义为从无采样情况下的空白时的共振频率减去有采样时的共振频率得到的值。
在使采样8与电介体共振器1的上表面接近或接触配置时，在共振频率偏移的同时，共振频率位置处的峰值水平与采样的介质损耗因数对应地下降。使该峰值水平变化量为ΔP。峰值水平变化量定义为从无采样情况下的空白时的共振频率位置处的峰值水平减去有采样时的共振频率位置处的峰值水平得到的值。在使采样的介电常数为ε’、介质损耗因数为ε”、采样的厚度为T时，频率偏差量Δf与(ε’-1)×T成比例，峰值水平变化量ΔP与ε”×T成比例。
在测定取向性时，能观察到介电常数的各向异性即可。因此，使多个矩形电介体共振器以方向各不相同的方式配置，并检测各共振器中的共振频率偏差量，由此得出介电常数各向异性。
图4示出将例如5个矩形电介体共振器1a～1e以从基准方向具有互不相同的方向(θ)的方式配置的情况下的布局例。5个共振器1a～1e优选以能够测定尽可能近的位置的方式相互接近配置。在该例中，在直径200mm的圆内配置5个共振器1a～1e。基准方向可以任意确定，在此作为一例使采样的移动方向(MD方向)成为基准方向。
在图5中示出与其对应的取向图案。在角度为θ且距原点的距离为r的极坐标(r、θ)上，使共振器1a～1e的方向(θ)为角度θ，使各共振器检测到的共振频率偏差量Δf为r而进行测绘，并进行了椭圆近似。由于椭圆的长轴方向表示频率偏差量的最大方向，因此该方向上采样的介电常数最大。因此，在该方向上纤维或分子链排列。椭圆的长轴方向为取向角度()。另一方面，取向度可以通过近似的椭圆的长轴a与短轴b的差或比来表示。
专利文献1所记载的发明是作为由介电常数的各向异性求出纸等片状物质的纤维取向或分子取向的方法和装置的派生功能而想到的，即在取向测定的同时还能够测定纸张重量。因此，在测定为标量的纸张重量时，介电常数的方向依赖性反而成为障碍。在将共振频率偏差量向极坐标上测绘时，在采样不是无取向的情况下，如例如图5那样，采样的介电常数因方向依赖性而成为不同的值。但是，纸张重量为标量，因此不具有方向依赖性。
消除因该介电常数的各向异性产生的共振频率偏差量的方向依赖性的第一方法为简单地对多个共振器的共振频率偏差量进行平均化处理的方法。
作为消除方向依赖性的第二方法，如图5所示，为在极坐标上测绘共振频率偏差量Δf并进行椭圆近似，将与得到的椭圆体的面积为相同面积的圆的半径作为消除了采样的电感应的各向异性的换算偏差量Δfr的方法。例如，将仅配置在片状采样的一面侧的多个矩形电介体共振器以各自的长边方向分别从基准方向朝向不同的方向(θ)的方式配置在同一平面上而测定各自的共振器的共振频率f1～fn，对某采样求出各矩形电介体共振器的共振频率偏差量Δf1～Δfn。如先前定义的那样，偏差量Δf1～Δfn为无采样的情况下的共振频率f0和有采样的情况下的各矩形电介体共振器的共振频率f1～fn之差。接下来，在角度为θ且距原点的距离为r的极坐标(r、θ)上，使所述方向(θ)为角度θ，使偏差量Δf1～Δfn为r地进行测绘，如图5那样通过椭圆近似处理绘制椭圆，并求出该椭圆的面积。在求出与该椭圆的面积为相同面积的圆的半径时，该半径为消除了各向异性后的共振频率偏差量。
在以下的说明中，以得到了通过上述任一种方法消除了电感应的各向异性后的频率偏差量Δf为前提进行说明。
(基本的考虑方式)
在使用微波共振器时，如图3所示，根据采样的有无而表现出共振频率偏差量Δf和共振峰值水平变化量ΔP。在采样的厚度为T时，共振频率偏差量Δf与((介电常数-1)×T)成比例，共振峰值水平变化量ΔP与(介质损耗因数×T)成比例。该原理是如专利文献1中记载的那样由摄动理论导出的结果。
考虑图6那样将纸分离成绝干部分和水的模型，在使测定的绝干部分的体积为V1、水的体积为V2时，根据该原理，下式成立。
Δf＝Kf(V1·ε’1+V2·ε’2)(1)
ΔP＝Kp(V1·ε”1+V2·ε”2)(2)
在此，Δf：共振频率偏差量，
ΔP：共振峰值水平变化量，
V1：某一恒定条件下的绝干的纸的体积，
V2：某一恒定条件下的水的体积，
Kf：用于匹配规格的比例常数，
Kp：用于匹配规格的比例常数，
ε’1：绝干的纸的介电常数-1，
ε’2：水的介电常数，
ε”1：绝干的纸的介质损耗因数，
ε”2：水的介质损耗因数(根据频率、束缚的程度、温度而变化)
V1是与绝干纸张重量成比例的值，V2是与水分量成比例的值。(1)式示出共振频率偏差量成为基于纸的绝干部分的介电常数确定的值与基于水的介电常数确定的值的和。同样地，(2)式示出峰值水平变化量ΔP成为基于纸的绝干部分的介质损耗因数确定的值与基于水的介质损耗因数确定的值的和。
Kf及Kp为由装置确定的比例常数，是恒定值。Kf及Kp还兼用作规格的变换及测定面积的规定。
从(1)(2)式求解V1、V2能够得到下式。
V1＝(Δf·ε”2/Kf-ΔP·ε’2/Kp)/(ε’1·ε”2-ε”1·ε’2)(3)
V2＝(Δf·ε”1/Kf-ΔP·ε’1/Kp)/(ε”1·ε’2-ε’1·ε”2)(4)
在此，ε’1、ε’2、ε”1、ε”2为物质常数，但在本发明中选择了这些常数与Kf及Kp一起作为装置常数来确定的方法。具体而言，常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2通过以下的步骤A及B来确定。
(步骤A)对于纸张重量或水分量不同的多个标准采样，通过使用了所述微波共振器的测定装置测定共振频率偏差量Δf和峰值水平变化量ΔP，通过BM计测定绝干纸张重量(BD)和水分量(WT)。
在V1、V2与绝干纸张重量(BD)、水分量(WT)之间存在下述关系。
绝干纸张重量(BD)＝β·V1(5)
水分量(WT)＝γ·V2(6)
在此，β，γ为比例常数。B为绝干状态的纸的比重，其预先求出。作为一例，使β＝0.85。γ为水的比重，可以使γ＝1。
(步骤B)使用由步骤A得到的基于BM计的绝干纸张重量(BD)使V1＝BD/β，使用水分量(WT)使且V2＝WT/γ，使用由步骤A得到的Δf和ΔP，根据(3)、(4)式的关系求出Kf及Kp的分散值变得小于规定值时的ε’1、ε’2、ε”1及ε”2。也可以使γ＝1，V2＝WT。
在此，由于(3)、(4)式是由(1)、(2)式导出的，因此(3)、(4)式的关系与(1)、(2)的关系相同。
作为常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的确定方法的优选方式，在使常数ε’1、ε’2、ε”1及ε”2根据适当的限制条件变化的同时算出Kf和Kp，对于测定的全部标准采样，将Kf及Kp的分散值变得小于规定值时的Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的组合作为该测定装置的最适装置常数。
对每个测定装置进行确定常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的作业。为了得到更正确的测定结果，该常数确定作业优选在采样的种类即品种变化时，准备多个该品种的标准采样而重新进行确定常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的作业。
在使常数ε’1、ε’2、ε”1及ε”2变化的同时以使Kf和Kp各自的分散值分别变得小于规定值的方式进行收敛的作业可以通过在计算机上使用适当的程序来执行。作为这样的程序的一例，可以使用被称为“规划求解(solver)”(微软公司制表计算软件“Excel”的功能之一)的程序。使用该“规划求解”来确定常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2时的限制条件以如下方式设定。
(1)绝干的纸的介电常数ε’1：
由于测定介电常数ε’1本身困难，因此由纤维素的分子结构和添加的无机物(滑石等)判断，其在以下的范围内。
1.0＜ε’1＜20.0
(2)绝干的纸的介质损耗因数ε”1：
由于测定介质损耗因数ε”1本身困难，因此由各种高分子材料的介质损耗因数判断，其在以下的范围内。
0＜ε”1＜1.0
(3)水的介电常数ε’2：
完全未被束缚的自由的水(自由水)的介电常数通过电感应分散而根据温度及频率发生变化，但在常温下为在4GHz下大约80左右。但是，进入到食品或水泥等的内部的水被称为结合水或束缚水，除了会因来自水分子的周围的束缚方式而变化以外，通常由于其相对于外部电场无法充分地分极(交变)，因此介电常数下降。因此，使水的介电常数ε’2在以下的范围内。
1.0＜ε’2＜80
(4)水的介质损耗因数ε”2
在为自由水的情况下，介质损耗因数的峰值为大约20GHz(常温)，此时的值为34左右，在为束缚水时，虽然也根据周围的状况而变化，但峰值频率大概向低频率侧偏移两位左右。因此，在4GHz下的束缚水的介质损耗因数与介质损耗因数的频率分散曲线的右肩相当，从34开始变得相当小。因此，使水的介质损耗因数ε”2在以下的范围内。
0＜ε”2＜15
(5)装置固有的比例常数Kf和Kp在由各种实测数据求出而进行测绘的情况下，由于本来为恒定值而应该集中在曲线图上的1点。作为其收敛条件，在Kf及Kp的分散满足以下的条件时使Kf和Kp收敛成恒定值。
Kf的分散＜0.1
Kp的分散＜0.0001
与Kf及Kp的分散值相关的所述数值为本发明中的Kf及Kp的分散值相关的“规定值”，其预先设定。如果将该规定值设定得大，则用于确定常数的处理时间变短，但其结果是得到的纸张重量和水分量的精度下降。相反地，如果将该规定值设定得小，则得到的纸张重量和水分量的精度提高，但相反地，确定常数的处理时间变长。因此，在观察得到的纸张重量和水分量的精度的同时设定适当大小的“规定值”。
在以上的限制条件下对(1)式和(2)式使用“规划求解”而确定常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2。
在对38个各种纸采样求出Kf、Kp满足上述(5)的条件的物质常数ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的组合时，得到以下结果。
ε’1(绝干的纸的介电常数-1)＝4.0
ε’2(水的介电常数)＝29.95
ε”1(绝干的纸的介质损耗因数)＝0.210
ε”2(水的介质损耗因数)＝9.71
另外，此时的Kf、Kp的测绘如图7所示，大致集中在恒定值。对此时的Kf和Kp求出各自的平均值，从而
Kf＝10.843
Kp＝0.1191
若使用这样确定的常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2，则能够通过(3)、(4)式由对测定对象试样进行测定得到的共振频率偏差量Δf和峰值水平变化量ΔP求出V1、V2，因此能够使用(5)、(6)式计算并求出测定对象的采样的绝干纸张重量(BD)和水分量(WT)。
另外，风干纸张重量及水分率通过下式求出。
风干纸张重量＝绝干纸张重量(BD)+水分量(WT)(g/m2)(7)
水分率＝(水分量(WT)/风干纸张重量)×100(％)(8)
由于常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2是作为装置常数而确定的值，因此需要对每个测定装置进行确定。上述的数值是进行了测定的该装置所特有的值，在其他测定装置中为不同的数值。
本发明的纸张重量·水分量测定方法使用微波共振器，通过以下的步骤S1至S6算出由纸片构成的采样的纸张重量及水分量，其中，
(步骤S1)
求出无采样时的微波共振器中的共振频率和共振峰值水平的步骤；
(步骤S2)
求出测定采样时的所述微波共振器中的共振频率和共振峰值水平的步骤；
(步骤S3)
作为从在步骤1中求出的共振频率减去在步骤2中求出的共振频率得到的差，求出共振频率偏差量Δf的步骤；
(步骤S4)
作为从在步骤S1中求出的共振峰值水平减去在步骤S2中求出的共振峰值水平得到的差，求出峰值水平变化量ΔP的步骤；
(步骤S5)
使用常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2确定的(3)、(4)式求出V1及V2的步骤。
(步骤S6)
使用(5)、(6)式求出绝干纸张重量及水分量的步骤。
在优选的方式中，进而使用下式求出风干纸张重量及水分率，
风干纸张重量＝绝干纸张重量+水分量
水分率＝水分量×100/风干纸张重量。
在利用计测采样的电感应的各向异性的装置实施本发明的纸张重量·水分量测定方法时，将作为微波共振器仅配置在采样的一面侧的多个矩形电介体共振器以各自的共振器的长边方向朝向各不相同的方向(θ)的方式配置在同一平面上。并且，使方向(θ)为角度θ，且使各自的共振器的共振频率偏差量Δf1～Δfn为r，在使角度为θ且距原点的距离为r的极坐标(r、θ)上进行测绘，并通过椭圆近似处理绘出椭圆，求出与该椭圆的面积为相同面积的圆的半径Δfr，并使该Δfr为(3)、(4)式中的Δf。另外，求出各自的共振器的峰值水平变化量ΔP1～ΔPn，使以下(A)至(C)中任一项的ΔPr为(3)、(4)式中的ΔP，
(A)由ΔP1～ΔPn中的任一个构成的ΔPr；
(B)由ΔP1～ΔPn的平均值构成的ΔPr；
(C)使所述方向(θ)为角度θ，使ΔP1～ΔPn为r，在角度为θ且距原点的距离为r的极坐标(r、θ)上进行测绘，通过进行椭圆近似处理而绘出椭圆，作为与该椭圆的面积相同面积的圆的半径所求出的ΔPr。
如示出优选的方式的图1所示，本发明的纸张重量·水分量测定装置具备：微波共振器(100)、在所述共振器中产生电场向量的微波用激发装置(102)、检测基于所述共振器(100)产生的透射能或反射能的检测装置(104)、从所述检测装置(104)取入无采样状态和有采样状态下的所述微波共振器(100)的共振频率和其共振频率位置下的峰值水平并算出采样的纸张重量和水分量的数据处理装置(106)。
数据处理装置(106)具备Δf·ΔP算出部(108)、第一常数确定机构(112)、常数存储部(114)、V1·V2算出部(116)及绝干纸张重量·水分量算出部(120)。
Δf·ΔP算出部(108)根据从检测装置(104)取入的共振频率和峰值水平分别算出共振频率偏差量Δf和峰值水平变化量ΔP。
第一常数确定机构(112)使用通过微波共振器(100)测定了纸张重量或水分量不同的多个标准采样时由Δf·ΔP算出部(108)得到的Δf及ΔP，使通过BM计(110)测定标准采样得到的绝干纸张重量为V1/β且使水分量为V2/γ，根据(3)、(4)式的关系(与(1)、(2)式的关系相同。)求出Kf及Kp的分散值变得小于规定值时的ε’1、ε’2、ε”1及ε”2而确定各常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2。
常数存储部(114)存储由第一常数确定机构(112)确定的常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2、以及预先设定的比例常数β及γ。
V1·V2算出部(116)使用存储在常数存储部(112)中的常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2、和通过微波共振器(100)测定采样时由Δf·ΔP算出部(108)得到的Δf及ΔP，根据(3)、(4)式算出V1和V2。
绝干纸张重量·水分量算出部(120)，其由通过微波共振器(100)测定采样时由V1·V2算出部(116)得到的V1及V2和存储在常数存储部(114)中的比例常数β及γ，根据(5)、(6)式算出绝干纸张重量和水分量。
在优选的方式中，还具备风干纸张重量·水分率算出部(122)，该风干纸张重量·水分率算出部(122)由通过绝干纸张重量·水分量算出部(120)得到的绝干纸张重量和水分量根据技术方案2中记载的算式算出风干纸张重量和水分率。
在兼用作计测采样的电感应的各向异性的装置的情况下，微波共振器是仅配置在采样的一面侧的多个矩形电介体共振器，其以所述共振器的长边方向朝向各不相同的方向(θ)的方式配置在同一平面上，Δf·ΔP算出部(108)算出消除了各向异性的Δfr和ΔPr，绝干纸张重量·水分量算出部(120)使用通过Δf·ΔP算出部(108)算出的消除了各向异性的Δfr和ΔPr进行演算。
【发明效果】
根据本发明，在使用微波共振器测定纸等的片状物质的纸张重量及水分量(水分率)时，能够使纸张重量和水分的测定值不会彼此相互影响，可各自分离地进行测定，无需使用放射线，能够安全地进行测定。
附图说明
图1是表示纸张重量·水分量测定装置的优选形态的框图。
图2A是表示在一实施例中使用的电介体共振器的俯视图。
图2B是该共振器的垂直剖视图。
图3是是表示基于采样有无的电介体共振器中的共振曲线的变化的波形图。
图4是表示配置有5个电介体共振器的取向计测定部的一例的俯视图。
图5是表示由图4所示的5个电介体共振器得到的取向图案的一例的图。
图6是表示水分模型的剖视图。
图7是表示使用最佳化时的物质常数求出的常数Kf、Kp的曲线图。
图8是表示处理来自5个电介体共振器的信号的电路的框图。
图9是表示图8的框图中的信号处理的时间图。
图10是详细表示图8的电路中一个电介体共振器所涉及的信号处理电路的框图。
图11是表示求出Δfr的顺序的流程图。
图12是表示求出ΔPr的顺序的流程图。
图13是表示确定常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的顺序的流程图。
图14是表示采样测定动作的一例的流程图。
图15是表示利用实施例的装置对纸张重量恒定而水分量变化的采样进行测定时的纸张重量测定结果的曲线图。
图16是表示利用实施例的装置对该采样进行测定时的水分量测定结果的曲线图。
图17是表示利用实施例的装置对水分率恒定而纸张重量变化的采样进行测定时的纸张重量测定结果的曲线图。
图18是利用实施例的装置对该采样进行测定时的水分率测定结果的曲线图。
图19是表示水分率恒定时的使用了微波电介体共振器的纸张重量测定结果的一例的图。
图20是表示使用了微波电介体共振器的纸张重量测定结果和基于BM计的测定结果的相关关系的曲线图。
图21是表示使水分率变化时的使用了微波电介体共振器的纸张重量测定结果的图。
具体实施方式
示出测定装置的具体例。其是通过测定采样的电感应的各向异性的装置来实现本发明的实施例。配置5个电介体共振器1a～1e，使用由图8的框图示出的信号处理电路，根据图9所示的时间图处理信号而测定共振频率和共振峰值水平。
从作为微波发振机构之一的微波扫描振荡器21发出的信号经由隔离器22a～22e向电介体共振器1a～1e分配。来自各共振器1a～1e的输出通过各自的检波二极管23a～23e转换成电压，并通过各自的增幅及A/D转换电路部24a～24e而进入各自的峰值检测及平均化处理电路部25a～25e。
共振频率的测定通过以下方式进行。如图9所示，微波扫描振荡器21对频率进行扫描。例如使频率以4千兆赫为中心以10msec扫描250MHz的方式连续地使频率提高。通过该频率扫描，在峰值检测及平均化处理电路部25a～25e中能够由微波透射强度得到共振曲线。峰值检测及平均化处理电路部25a～25e由其扫描信号21s检测起动脉冲部分而测定共振水平到达峰值的时间，通过比例计算根据该时间求出共振频率。
在该方法中，由于能够通过扫描信号的上升即起动脉冲部分来检测扫描开始时刻，因此通过计测自此至到达峰值水平的时间，并根据以10msec扫描250MHz的扫描速度进行计算，从而能够测定共振频率。将上述步骤以例如50msec的周期反复进行，将20次的平均作为一个共振频率。如此，1次扫描时间为10msec而非常短，能够以高速对信号进行增幅，并进行数字处理。
图10中进一步详细示出了图9所示的电路中一个电介体共振器所涉及的检测系统的电路。其他的电介体共振器所涉及的检测系统的电路相同。首先说明的增幅及A/D转换电路部24a，作为一例，由增幅电路31和A/D变换器部LSI32构成。来自增幅及A/D转换电路部24a的数字输出进入峰值检测及平均值化处理电路部25a。作为一例，峰值检测及平均化处理电路部25a由峰值检测LSI和平均化处理LSI构成。正确地说，峰值检测LSI还具有共振峰值水平检测电路。在该LSI中，作为共振峰值检测检测共振频率和共振峰值水平这两方，在平均化处理LSI中进行每次扫描能够得到的共振频率和共振峰值水平的平均化处理。
在峰值检测及平均化处理电路部25a～25e的后一级连接有微型计算机26，来自各电介体共振器检测系统的信号向微型计算机26输入。微型计算机26将来自峰值检测及平均化处理电路部25a～25e的共振频率和共振峰值水平整理后向后一级的个人计算机27发送。微型计算机26还具有按照电介体共振器系统来对各增幅及A/D转换电路部24a～24e、峰值检测及平均化处理电路部25a～25e进行控制而使其动作的控制功能。
个人计算机27实现对来自微型计算机26的输出进行演算而求出纸张重量和水分量并作为数据进行显示或存储的数据处理装置106的功能。
在此，在图10中，由于在增幅及A/D转换电路部24a中增幅后的输出中含有基于噪声产生的脉动，因此在增幅电路31中将由电容器C1和电阻R2构成的RC电路插入反馈行，吸收减小脉动电压，得到变动少的直流电压。
通过个人计算机27实现的数据处理装置的功能为在图1中示出的功能。
对使用5个矩形电介体共振器的情况进一步具体地进行说明。
图11中计算Δfr的顺序。
对各电介体共振器求出空白的共振频率，并使其分别为f01、f02、f03、f04、f05。
对各电介体共振器求出采样的共振频率，并使其分别为fs1、fs2、fs3、fs4、fs5。
对各电介体共振器计算共振频率偏差量Δf，并使其分别为Δf1、Δf2、Δf3、Δf4、Δf5。其中，
Δf1＝f01-fs1
Δf2＝f02-fs2
Δf3＝f03-fs3
Δf4＝f04-fs4
Δf5＝f05-fs5
在极坐标中表示5点的Δf，并进行椭圆近似，进而计算椭圆的面积S。求出与椭圆的面积相同的面积的圆的半径r，并使其为换算偏差量Δfr。
Δfr＝(S/π)1/2
该Δfr是消除了介电常数各向异性的共振频率偏差量。
关于峰值水平，由于其不具有像介电常数那样的各向异性，因此可以采用采样的有无的、一个电介体共振器所涉及的峰值水平变化量作为ΔP，也可以采用5个电介体共振器所涉及的峰值水平变化量的平均值作为ΔP。即使采用这样的ΔP也不会产生过大的误差。但是，如果要进一步消除各向异性，则可以以与消除介电常数的各向异性相同的方式来进行。这种情况下的顺序在图12中示出。
对各电介体共振器测定空白的共振频率位置处的峰值水平P01～P05。对各共振器测定具有采样时的共振频率位置处的峰值水平PS1～PS5。对各共振器求出峰值水平变化量ΔP1～ΔP5。在极坐标上表示ΔP1～ΔP5，并通过椭圆近似处理求出椭圆的面积。求出与该椭圆的面积为相同面积的圆的半径，将该圆的半径作为消除了该采样的电感应的各向异性的换算峰值水平变化量ΔPr。
确定常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的方法已经说明，在图13中重新示出该顺序。
对纸张重量或水分量不同的多个标准采样，通过使用了微波共振器的测定装置测定共振频率偏差量Δf和峰值水平变化量ΔP，通过BM计测定绝干纸张重量(BD)和水分量(WT)。
接下来，使得到的基于BM计测定的绝干纸张重量(BD)为V1/β(β为预先设定的常数)，使水分量(WT)为V2/γ(γ为预先设定的常数)，使用得到的Δf和ΔP，根据(1)、(2)式的关系或(3)、(4)式的关系求出Kf及Kp的分散值变得小于规定值时的ε’1、ε’2、ε”1及ε”2。
在该实施例中，求出绝干纸张重量及水分量、进而求出风干纸张重量及水分率的动作在图14中示出。
使用测定了用于确定常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2的标准采样的微波共振器，测定不具有采样时的微波共振器中的共振频率和共振峰值水平。通过与其相同的微波共振器配置采样而测定共振频率和共振峰值水平(步骤S1)。
求出与采样有无相关的共振频率偏差量Δfr和共振峰值水平变化量ΔP(步骤S2)。
从存储器的常数存储部114取入常数Kf、Kp、ε’1、ε’2、ε”1及ε”2，使用上述(3)、(4)式，算出V1及V2(步骤S3、S4)。
从常数存储部114取入常数β、γ，使用上述(5)、(6)式算出绝干纸张重量及水分量(步骤S5、S6)。
进而，使用上述(7)、(8)式算出风干纸张重量及水分率(步骤S7)。
(测定例1)
在实际的抄纸机中，强制地使水分率从2.7％变化至5.8％时的基于上述实施例的V1(相当于绝干纸张重量。)和V2(相当于水分量。)的算出结果在图15和图16中示出。其结果是，绝干纸张重量基本恒定，仅水分量增加。由此可知，根据该实施例，即使使用微波共振器也能够除去水分的影响而测定纸张重量。
(测定例2)
相反地，在实际的抄纸机上，使采样的水分率基本恒定(实测值为3.0→2.9％)，使纸张重量变化(实测纸张重量59.10→72.64g/m2)。此时的基于上述实施例的测定结果在图17和图18中示出。在该情况下也忠实地反映了采样的变化。
【工业上的可利用性】
本发明能够利用于测定以纸、无纺布、薄膜为代表的片状物质的纸张重量和水分量。
【符号说明】
1、1a～1e 电介体共振器
2a、2b 天线
6 渐逝波
8 采样
27 个人计算机
100 微波共振器
102 微波用激发装置
104 检测装置
106 数据处理装置
108 Δf·ΔP算出部
110 BM计
112 第一常数确定机构
114 常数存储部
116 V1·V2算出部
120 绝干纸张重量·水分量算出部
122 风干纸张重量·水分率算出部
Claims (6)
1.一种纸张重量·水分量测定方法，其使用微波共振器，通过以下的步骤S1至S6算出由纸片构成的采样的纸张重量及水分量，其中，
步骤S1：
求出无采样时的微波共振器中的共振频率和共振峰值水平的步骤；
步骤S2：
求出测定采样时的所述微波共振器中的共振频率和共振峰值水平的步骤；
步骤S3：
作为从在步骤S1中求出的共振频率减去在步骤S2中求出的共振频率得到的差，求出共振频率偏差量Δf的步骤；
步骤S4：
作为从在步骤S1中求出的共振峰值水平减去在步骤S2中求出的共振峰值水平得到的差，求出峰值水平变化量ΔP的步骤；
步骤S5：
使用下式求出V1及V2的步骤；
V1＝(Δf·ε”2/Kf-ΔP·ε'2/Kp)/(ε’1·ε”2-ε”1·ε'2)(3)
V2＝(Δf·ε”1/Kf-ΔP·ε’1/Kp)/(ε”1·ε'2-ε’1·ε”2)(4)
步骤S6：
使用下式求出绝干纸张重量及水分量的步骤；
绝干纸张重量＝β·V1(5)
水分量＝γ·V2(6)
在此，
V1：某一恒定条件下的绝干的纸的体积，
V2：某一恒定条件下的水的体积，
Kf：用于匹配规格的比例常数，
Kp：用于匹配规格的比例常数，
ε’1：绝干的纸的介电常数-1，
ε'2：水的介电常数，
ε”1：绝干的纸的介质损耗因数，
ε”2：水的介质损耗因数，
β、γ：比例常数，
常数Kf、Kp、ε’1、ε'2、ε”1及ε”2通过以下的步骤A及B确定，常数β、γ是预先确定的值，
步骤A：对于纸张重量或水分量不同的多个标准采样，通过使用了所述微波共振器的测定装置根据所述步骤1至4测定共振频率偏差量Δf和峰值水平变化量ΔP，通过BM计测定绝干纸张重量(BD)和水分量(WT)；
步骤B：使用由步骤A得到的基于BM计的绝干纸张重量(BD)和水分量(WT)，使V1＝BD/β且V2＝WT/γ，使用由步骤A得到的Δf和ΔP，根据上述(3)、(4)式的关系求出Kf及Kp的分散值变得小于规定值时的ε’1、ε'2、ε”1及ε”2。
2.根据权利要求1所述的纸张重量·水分量测定方法，其中，
使用下式进一步求出风干纸张重量及水分率，
风干纸张重量＝绝干纸张重量+水分量
水分率＝水分量×100/风干纸张重量。
3.根据权利要求1或2所述的纸张重量·水分量测定方法，其中，
将作为所述微波共振器仅配置在采样的一面侧的多个矩形电介体共振器以各自的共振器的长边方向朝向各不相同的方向(θ)的方式配置在同一平面上，
使所述方向(θ)为角度θ，且使各自的共振器的共振频率偏差量Δf1～Δfn为r，在使角度为θ且距原点的距离为r的极坐标(r、θ)上进行测绘，并通过椭圆近似处理绘出椭圆，求出与该椭圆的面积为相同面积的圆的半径Δfr，并使该Δfr为权利要求1中的Δf，
求出各自的共振器的峰值水平变化量ΔP1～ΔPn，使以下(A)至(C)中任一项的ΔPr为权利要求1中的ΔP，
(A)由ΔP1～ΔPn中的任一个构成的ΔPr；
(B)由ΔP1～ΔPn的平均值构成的ΔPr；
(C)使所述方向(θ)为角度θ，使ΔP1～ΔPn为r，在角度为θ且距原点的距离为r的极坐标(r、θ)上进行测绘，通过进行椭圆近似处理而绘出椭圆，作为与该椭圆的面积相同面积的圆的半径所求出的ΔPr。
4.一种纸张重量·水分量测定装置，其具备：
微波共振器(100)；
微波用激发装置(102)，其在所述共振器中产生电场向量；
检测装置(104)，其检测基于所述共振器(100)产生的透射能或反射能；
数据处理装置(106)，其从所述检测装置(104)取入无采样状态和有采样状态下的所述微波共振器(100)的共振频率和其共振频率位置处的峰值水平，并算出采样的纸张重量和水分量，
所述数据处理装置(106)具备：
Δf·ΔP算出部(108)，其根据从所述检测装置(104)取入的所述共振频率和所述峰值水平分别算出共振频率偏差量Δf和峰值水平变化量ΔP；
第一常数确定机构(112)，其使用通过所述微波共振器(100)测定了纸张重量或水分量不同的多个标准采样时由所述Δf·ΔP算出部(108)得到的Δf及ΔP，使通过BM计(110)测定所述标准采样得到的绝干纸张重量为V1/β且使水分量为V2/γ，根据权利要求1中的(3)、(4)式的关系求出Kf及Kp的分散值变得小于规定值时的ε’1、ε'2、ε”1及ε”2而确定各常数Kf、Kp、ε’1、ε'2、ε”1及ε”2；
常数存储部(114)，其存储由所述第一常数确定机构(112)确定的常数Kf、Kp、ε’1、ε'2、ε”1及ε”2、以及比例常数β及γ；
V1·V2算出部(116)，其使用存储在所述常数存储部(112)中的常数Kf、Kp、ε’1、ε'2、ε”1及ε”2、和通过所述微波共振器(100)测定采样时由所述Δf·ΔP算出部(108)得到的Δf及ΔP，根据权利要求1中的(3)、(4)式算出V1和V2；
绝干纸张重量·水分量算出部(120)，其由通过所述微波共振器(100)测定采样时由所述V1·V2算出部(116)得到的V1及V2和存储在所述常数存储部(114)中的比例常数β及γ，根据权利要求1中的(5)、(6)式算出绝干纸张重量和水分量。
5.根据权利要求4所述的纸张重量·水分量测定装置，其中，
还具备风干纸张重量·水分率算出部(122)，该风干纸张重量·水分率算出部(122)由通过所述绝干纸张重量·水分量算出部(120)得到的绝干纸张重量和水分量，根据权利要求2中记载的算式算出风干纸张重量和水分率。
6.根据权利要求4或5所述的纸张重量·水分量测定装置，其中，
所述微波共振器是仅配置在采样的一面侧的多个矩形电介体共振器，其以所述共振器的长边方向朝向各不相同的方向(θ)的方式配置在同一平面上，
所述Δf·ΔP算出部(108)使所述方向(θ)为权利要求3所述的角度θ而算出权利要求3中记载的Δfr和ΔPr，
所述绝干纸张重量·水分量算出部(120)使用通过所述Δf·ΔP算出部(108)算出的Δfr和ΔPr来进行演算。
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| JP特开2006-349425A 2006.12.28 |
| 杨国渝.测量纸张含水量的微波双模式传感器.《电子科技大学学报》.1988,(第S2期),153. |
| 测量纸张含水量的微波双模式传感器;杨国渝;《电子科技大学学报》;19881231(第S2期);153 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2530458B1 (en) | 2014-05-21 |
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| WO2011092889A1 (ja) | 2011-08-04 |
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