CN103201595A - 对纸和连续幅材扫描器的气擦和薄片引导器温度控制 - Google Patents

Abstract

纸和连续的幅材扫描器经常在变化的高温条件下操作。通过采用气擦和薄片引导器温度控制在测量和标定模式操作期间调节在双扫描器头之间的测量间隙内的温度确保了对薄片特征的一致的且准确的传感器测量。气擦将预热空气吹入测量并且薄片引导器被加热。消除了空气温度波动，不然这些会对测量例如移动薄片的基重、含灰量、和厚度的传感器有显著的不利影响。

Description

对纸和连续幅材扫描器的气擦和薄片引导器温度控制

技术领域

本发明总体涉及扫描器测量系统，其用于在生产过程中确定连续的薄片材料的参数，并且更具体地，涉及用于在薄片上操作和薄片下操作期间控制和稳定扫描器传感器附近的周围空气分布的技术。

背景技术

经常期望在制造过程中获得对薄片材料的所选特征的测量结果。虽然薄片材料的各种性质可通过离线实验室测试检测，但是这种程序经常是不实用的，这是因为样本获得和分析所需要的时间。而且，实验室测试有如下缺点：获得的用于测试的样本可能不会准确地代表已经被生产的薄片材料。

为了克服薄片材料的实验室测试的这些缺点，已经开发了各种传感器系统以用来“在线”检测薄片性质，即当薄片制造机器正在运行时在该机器上进行。用于连续的平坦薄片生产过程的传感器通常采用单侧或双侧封装，其带有在制造过程中横过或扫描行进中的薄片材料幅材的在线传感器。扫描通常在横向方向上完成，即在垂直于薄片行进方向的方向上。取决于薄片制造操作，横向方向距离的范围可高达约12米或更多。在造纸领域，例如，在线传感器在制造过程中检测各种变量，例如基重（纸张重量）、水分含量、和纸张厚度。

在连续薄片材料的生产过程中的在线测量难以准确地进行。影响在线测量的准确性的一个因素是在扫描器系统中采用的各种传感器附近的周围温度的波动。温度波动可能由薄片材料本身的温度的变化以及由外部影响引起。

发明内容

本发明涉及一种技术，其用于在测量和/或标定模式操作期间控制双扫描器头之间的测量间隙中的温度。纸和连续的幅材扫描器经常在变化的高温条件下操作。空气温度波动可能对测量例如移动薄片的基重、含灰量、和厚度的传感器有显著的不利影响。为了缓解这个问题，扫描器可装备有气擦（air wipe），其将预热空气吹入测量间隙；而且，传感器头安装板或薄片引导器也可被加热。

本发明部分地基于如下认识，为了在薄片下操作期间在传感器被标定时最小化温度引起的变化，优选地将测量间隙内的温度基本上维持在在薄片上测量模式期间当薄片在该间隙中移动时的相同温度。以这种方式，扫描传感器产生更加一致的且准确的读数。

在一个方面，本发明涉及一种系统，其用于控制适合容纳连续幅材的测量间隙中的温度，该幅材具有第一侧和第二侧并且沿下游方向行进，其包括：

    （a）设置在幅材的第一侧附近的第一安装头，该第一安装头包括：

       面向该幅材的第一侧的第一操作表面；

       用于加热该第一操作表面的装置；以及

       用于测量该第一操作表面的温度的装置；

    （b）设置在幅材的第二侧附近的第二安装头，该第二安装头包括：

       面向该幅材的第二侧的第二操作表面，其中第一操作表面和第二操作表面限定了测量间隙，该连续的幅材行进穿过该测量间隙，并且其中测量间隙具有幅材入口和幅材出口，幅材出口位于幅材入口的下游；

       用于加热该第二操作表面的装置；以及

       用于测量该第二操作表面的温度的装置；

    （c）温度传感器，用来检测测量间隙内的周围温度并且产生表示该周围温度的信号；

    （d）在幅材入口端供应加热气体的装置，使得该加热气体连续地通过幅材入口端流入测量间隙并通过幅材出口端从测量间隙出来；

       （e）计算装置，其与温度传感器通信以处理所述信号来产生间隙温度分布并且存储预定的期望间隙温度分布；以及

       （f）控制装置，其与计算装置通信以控制所供应的加热气体的温度，用于加热第一操作表面的装置，和用于加热第二操作表面的装置以修正与期望间隙温度分布的偏离。       

       在另一方面，本发明涉及控制系统，其用于调节在被监测的移动薄片的目标区域附近的测量间隙的周围温度。测量间隙在双头扫描器内，该扫描器具有至少一个传感器用于对移动薄片的一个或多个特征的连续在线测量。双头扫描器包括具有第一板的第一头和具有第二板的第二头，其中传感器被安装在第一头内或第二头内或第一和第二头内，并且其中第一板和第二板限定了测量间隙，该薄片行进通过该测量间隙。双头扫描器还包括板检测器，其用于测量第一和第二板的温度；和空气检测器，用于测量测量间隙内的周围空气温度。本发明的控制系统包括：

    用于加热第一板的装置，其包括第一关联可调致动器，其调节第一板的温度；

    用于加热第二板的装置，其包括第二关联可调致动器，其调节第二板的温度；

    用于在测量间隙的幅材入口端喷射加热气体的装置，使得加热气体连续地经幅材入口端流入测量间隙并通过幅材出口端从测量间隙出来，并且该装置包括第三可调致动器，其调节加热气体的流速和/或温度；

    空气温度传感器，其用于测量在目标区域附近的测量间隙的周围空气温度并产生表示该周围空气温度的信号；

    板温度传感器，用于测量第一和第二板的温度；以及

    控制器装置，其与空气温度传感器通信以提供控制信号以致动第一关联可调致动器、第二关联可调致动器、和第三关联可调致动器中的至少一个从而将在目标区域附近的测量间隙的周围空气温度维持在期望温度范围内并将第一和第二板温度维持在期望温度范围内。

在另一方面中，本发明涉及一种方法，其用于控制双头扫描器内的空气间隙内的周围温度，连续幅材行进通过该空气间隙，该空气间隙由以下各项限定：（i）第一头，其具有第一操作表面，该第一操作表面连接到用于加热该第一操作表面的第一板致动器；和（ii）第二头，其具有第二操作表面，该第二操作表面连接到用于加热第二操作表面的第二板致动器，并且其中空气间隙具有在幅材入口端从加热气体源喷入其内的加热气体，该加热气体源连接到第三空气致动器，该第三空气致动器用于调节加热气体的流动和/或温度，该方法包括如下步骤：

    检测空气间隙内的周围温度，该空气间隙带有定位在第一操作表面上和第二操作表面上的空气传感器，并且这些传感器产生指示周围温度的空气温度信号；

       利用板温度传感器检测第一和第二操作表面的板温度，板温度传感器定位在第一操作表面和第二操作表面上并产生指示第一和第二操作表面温度的板温度信号；

    分析空气温度和板温度信号并产生目标空气温度和目标板温度设置点，该设置点将被用于薄片下和薄片上模式操作期间的热控制，其中初始目标第一和第二板温度选自薄片上操作期间的第一和第二板的稳态温度，其中第一和第二板致动器被设置为在10％和40％之间的典型值，并且其中初始目标空气间隙温度选自薄片上操作期间的空气间隙稳态温度，其中第三空气致动器能量被设置为在10％和40％之间的典型值；

    比较实际的第一和第二板温度与空气间隙温度与各自的目标温度并基于该比较产生误差信息；以及  

    将误差信息发送给第一或第二控制回路，其中第一控制回路在处于工作状态时在双头扫描器处于薄片上模式时操作，而第二控制回路在处于工作时在双头扫描器处于薄片下模式时操作，以允许操纵第一板致动器、第二板致动器和第三空气致动器中的至少一者的设置点从而修正与期望空气间隙温度分布的偏离，并且其中用于未处于工作状态时的控制回路的设置点被存储为起始点以在操作状态在薄片上模式操作和薄片下模式操作之间切换时能实现快速反应。

附图说明

图1图示了采用双传感器头或半部的扫描器系统；以及

图2是描述了双传感器头的控制系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了带有扫描器传感器头10和12的扫描系统。这个双扫描器头构造，其采用了双传感器头，通常在传感器以传输模式操作时被采用。例如，上传感器头10可包含红外辐射源，而下传感器头12包含红外检测器，其测量被传输通过被监测的材料的辐射。上传感器头10由上支撑梁20支撑，上支撑梁20具有下表面，一系列侧向间隔开的刚性支撑结构安装在该下表面上。这些竖直结构支撑轨道22。滚子支座24在该支座沿着横向方向朝向移动薄片8前进时接合轨道22。下扫描器头12由下支撑梁30支撑，下支撑梁30具有下表面，多个侧向间隔开的刚性支撑结构安装到该下表面上。滚子支座的移动由与上扫描器头的驱动机构类似的驱动机构促进。竖直结构还支撑轨道38，支座36接合到该轨道38上。动力系34供应电能和电信号到下扫描器头12。下传感器头12被安装在构件32上，构件32从滚子支座36延伸从而将下传感器头12定位成邻近上扫描器头10。下扫描器头12和上扫描器头10的操作表面或板14、16限定测量间隙，幅材材料8例如纸移动通过该测量间隙。测量间隙的侧向开口4和6允许扫描器在纸沿着机器方向行进时沿横向方向（CD）移动，机器方向垂直于CD。双扫描器头10、12的移动在速度和方向方面被同步使得它们彼此对齐。例如在授予Shead的美国专利5773714和授予Dahlquist的美国专利5166748中描述了具有在被分析的薄片的相对侧上的传感器部件的扫描系统，这些文献通过引用并入本文。

在实践中，扫描器头10、12用作平台，其携带检测薄片性质的传感器，例如在纸的情况下是基重。因此，例如，下扫描器头12可携带辐射源，例如原子能β辐射源，而上扫描器头10可携带检测器。在这种情况下，传感器可被采用以通过在存在薄片时测量入射在检测器上的辐射强度，并与在不存在薄片时入射在检测器上的β辐射比较，来进行基重的测量；也即，基重由薄片材料所减弱的β辐射来测量。

替换地，为了测量纸的水分含量，红外辐射源可被定位在下扫描器头12内而被传输通过纸的辐射由定位在上扫描器头10内的检测器所捕获。对传输的辐射的分析产生水分含量。例如在授予Chase等人的美国专利5654799，授予Gordon等人的5796486和授予Haran的7494567中描述了示例性的扫描双头传感器，这些文献通过引用并入本文。

图2描绘了控制系统60，其调节在测量间隙86中的周围空气和板温度，测量间隙形成在上扫描器头40和下扫描器头50之间。连续的幅材或薄片68材料沿机器方向（MD）行进通过幅材入口端82，进入测量间隙86，并由幅材出口84出来。测量间隙86的高度尤其依赖于薄片68的材料而变化。对于在工业造纸机器中正被制造的纸来说，当纸移动通过的速度是1000m/min和更多时，该高度范围可从10到30mm和更多。上扫描器头40的板表面41用作上薄片引导器而下扫描器头50的板表面用作下薄片引导器。安装在上扫描器头40内的是空气温度传感器42、板温度传感器102和板加热器46。类似地，安装在下扫描器头50内的是空气温度传感器52、板温度传感器112和板加热器56。空气和板温度传感器可包括热电偶。实际上，多个空气温度传感器被用在上扫描器头40和下扫描器头50中，并且使用这些空气温度读数的平均值。而且，多个板温度传感器被用在上扫描器头40和下扫描器头50中。每个板加热器46和板加热器56可包括多个均匀分布的电阻式加热元件以分别加热板表面41和板表面51。

双头扫描器可被用于测量幅材68的各种特征。例如，来自下扫描器头50中的辐射源54的红外辐射可被引导通过幅材68上的目标区域88。辐射检测器44捕获被传输通过幅材的辐射并且对所检测的辐射的分析产生幅材中的水分含量。本发明不限于包含在双传感器头内的任何特定的传感器设备。

空气温度传感器42和空气温度传感器52测量测量间隙86内的空气温度。板加热器46和板加热器56分别由致动器45和55调节，并分别提供沿着上和下板（或薄片引导器）41和51的均匀温度控制。气体源（称为“气擦”）48、58引导气体流通过在幅材入口82处沿CD布置的多个喷嘴并进入测量间隙86。空气的温度可利用加热器98和108加热，加热器分别由致动器47、57调节。以这种方式，被向前吹入测量间隙86的预加热气体的温度可被控制。

控制系统60还包括用户界面62和处理单元64。操作参数被输入界面62，由此处理单元64计算板加热器46、56和气擦加热器98、108的设置点。在造纸的情况下，操作参数可包括例如测量间隙高度、周围温度和水分水平，以及在目标区域88处的期望温度范围和气擦流速和气体温度范围。在以测量模式操作时，响应于来自空气温度传感器42、52和板温度传感器102、112的反馈信号与设置点的比较，比较器66、PID（比例-积分-微分）控制器72、74基于反馈值和设置点的差调节致动器55、45。类似地，PID控制器76、78基于反馈值和设置点中的差调节致动器57、47。

建立初始目标第一和第二板温度的优选技术是使用在薄片上操作期间的第一和第二板的稳态温度，其中第一和第二板加热器以少于50％能力操作并且通常在最大值的10％和40％之间。类似地，初始目标空气间隙温度可选自在薄片上操作期间空气间隙的稳态温度，其中气擦温度处于小于最大值的50％并且通常在最大值的10％和40％之间。

对薄片制造过程来说经常必须的是离开薄片以进行例行维修，在起动期间或改变系统以用于不同的产品等。在离开薄片的操作期间，标定双扫描器头中的传感器。例如在授予Hegland等人的美国专利4,692,616，授予Chase等人的5,092,678和授予King等人的6,281,679中描述了示例性的标定双扫描头中的传感器的技术，这些文献通过引用并入本文。

对于本发明，优选地是在标定模式期间，当连续的幅材68未存在在测量间隙86中时，尤其在目标区域88的附近要维持测量间隙86内的温度分布，使得当传感器被标定时是在与测量模式期间相同的条件下。这通过在没有连续幅材通过的条件下继续操作控制系统来实现。在测量模式当纸在进入幅材进口82时其温度已经相对于周围条件较高时在高温下运行的情况下，必须增加气擦48、58的气体温度和/或气体热流速并增加板表面41、51的温度。

在造纸操作中，板通常被维持的温度范围从30摄氏度到150摄氏度并且通过气擦的预热气体通常被维持的温度范围从30摄氏度到100摄氏度。这允许在薄片上和薄片下模式期间在测量间隙中的周围空气温度被稳定在30摄氏度到150摄氏度之间的温度上。

为了减少在薄片上和薄片下状况之间稳定PID控制回路所需的时间，有用的是采用两个控制回路，一种状况用一个。当切换到新状况时，即，从薄片上到薄片下，薄片上控制回路设置点被保存并在离开薄片下返回到薄片上时而再次重新激活薄片上时用作起始点。以这种方式，得益于事先知晓在上一次处于薄片上或薄片下操作模式时什么设置点最减少误差，可以实施大加热器设置点控制变化。

前面已经描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。不过，不应将本发明理解为局限于所讨论的特定实施例。因此，上述实施例应该被认为是说明性的而非限定性的，并且应该意识到在不脱离由下面的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)

1.一种用于控制在适合于容纳连续幅材（68）的测量间隙（86）中的温度的系统（60），该幅材具有第一侧（41）和第二侧（51），所述幅材沿下游方向行进，所述系统包括：

       （a）设置在幅材（68）的第一侧附近的第一安装头（40），该第一安装头（40）包括：

              面向该幅材（68）的第一侧的第一操作表面（41）；

              用于加热（46）该第一操作表面（41）的装置；以及

              用于测量该第一操作表面（41）的温度（102）的装置；

       （b）设置在幅材（68）的第二侧附近的第二安装头（50），该第二安装头（50）包括：

              面向该幅材（68）的第二侧的第二操作表面（51），其中第一操作表面（41）和第二操作表面（51）限定了测量间隙（86），该连续的幅材（68）行进穿过该测量间隙，并且其中测量间隙（86）具有幅材入口端（82）和幅材出口端（84），幅材出口端位于幅材入口端（82）的下游；

              用于加热（56）该第二操作表面（51）的装置；以及

              用于测量该第二操作表面（51）的温度（112）的装置；

       （c）温度传感器（42，52），用来检测测量间隙（86）内的周围温度并且产生表示该周围温度的信号；

       （d）在幅材入口端（82）供应加热气体的装置（47，48，57，58，98，108），使得该加热气体连续地通过幅材入口端（82）流入测量间隙（86）并通过幅材出口端（84）从测量间隙（86）出来；

       （e）计算装置（66），其与温度传感器（42，52）通信以处理所述信号来产生间隙温度分布并且存储预定的期望间隙温度分布；以及

       （f）控制装置（72，74，76，78），其与计算装置（66）通信以控制所供应的加热气体的温度，用于加热（46）第一操作表面（41）的装置，和用于加热（56）第二操作表面（51）的装置以修正与期望间隙温度分布的偏离。

2.如权利要求1所述的系统，其中用于加热（46）第一操作表面（41）的装置包括包含在第一操作表面（41）内的多个第一加热设备，且用于加热（56）第二操作表面（51）的装置包括包含在第二操作表面（51）内的多个第二加热设备，并且其中控制装置（72，74，76，78）调节由第一和第二加热设备（46，56）产生的能量量以及加热气体的温度。

3.如权利要求1所述的系统，其中用于在幅材入口（82）供应加热气体的装置（47，48，57，58，98，108）包括加热气体源和第一喷嘴和第二喷嘴，第一喷嘴将加热气体流朝着幅材（68）的第一侧引导而第二喷嘴将加热气体流朝着幅材（68）的第二侧引导。

4.如权利要求1所述的系统，其中第一安装头（40）或第二安装头（50）中的至少一个包括传感器（44，54），该传感器测量连续幅材（68）的一个或多个特征，并且控制器装置（72，74，76，78）将传感器（44，54）附近的温度维持在定义的范围内，而无论连续幅材（68）是否正在测量间隙（86）内移动。

5.如权利要求1所述的系统，其中控制装置（72，74，76，78）在测量间隙（86）处于薄片上模式且连续幅材（68）正在其内行进时调节第一控制回路，并且在测量间隙（86）处于薄片下模式而没有连续幅材（68）正在其内行进时调节第二控制回路。

6.一种控制系统（60），用于调节在双头扫描器内在目标区域（88）附近的测量间隙（86）的周围温度，双头扫描器具有至少一个传感器（44，54），用于连续地在线测量移动的薄片（68）的一个或多个特征，其中双头扫描器包括具有第一板（41）的第一头（40）和具有第二板（51）的第二头（50），其中该至少一个传感器（44，54）被安装在第一头（40）或第二头（50）内或者第一和第二头内，并且其中第一板（41）和第二板（51）定义了测量间隙（86），薄片（68）行进通过该测量间隙（86），控制系统（60）包括：

       用于加热（46）第一板（41）的装置，其包括第一关联可调致动器（45），其调节第一板（41）的温度；

       用于加热（56）第二板（51）的装置，其包括第二关联可调致动器（55），其调节第二板（51）的温度；

       用于在测量间隙（86）的幅材入口端（82）喷射加热气体（47，48，57，58，98，108）的装置，使得加热气体连续地经幅材入口端（82）流入测量间隙（86）并通过幅材出口端（84）从测量间隙（86）出来，并且该装置包括第三可调致动器（47，57），其调节加热气体的流速和/或温度；

       空气温度传感器（42，52），其用于测量在目标区域（88）附近的测量间隙（86）的周围空气温度并产生表示该周围空气温度的信号；

       板温度传感器（102，112），用于测量第一和第二板（41，51）的温度；以及

       控制器装置（72，74，76，78），其与空气温度传感器（42，52）通信以提供控制信号以致动第一关联可调致动器（45）、第二关联可调致动器（55）、和第三关联可调致动器（57，58）中的至少一个从而将在目标区域（88）附近的测量间隙（86）的周围空气温度的温度维持在期望温度范围内并将第一和第二板温度维持在期望板温度范围内。

7.如权利要求6所述的控制系统，其中控制器装置（72，74，76，78）在双头扫描器处于薄片上模式且薄片（68）正在其内行进时调节第一控制回路，并且在双头扫描器处于薄片下模式而没有薄片（68）正在其内行进时调节第二控制回路。

8.一种方法，其用于控制双头扫描器内的空气间隙（86）内的周围温度，连续幅材行进（68）通过该空气间隙，该空气间隙（86）由以下各项限定：（i）第一头（40），其具有第一操作表面（41），该第一操作表面连接到用于加热该第一操作表面（41）的第一板致动器（45，46）；和（ii）第二头（50），其具有第二操作表面（51），该第二操作表面连接到用于加热第二操作表面（51）的第二板致动器（55，56），并且其中空气间隙（86）具有在幅材入口端（82）从加热气体源（47，48，57，58）喷入其内的加热气体，该加热气体源连接到第三空气致动器（98，108），该第三空气致动器用于调节加热气体的流动和/或温度，该方法包括如下步骤：

       检测空气间隙（86）内的周围温度，该空气间隙带有定位在第一操作表面（41）上和第二操作表面（51）上的空气传感器（42，52），并且这些传感器产生指示周围温度的空气温度信号；

       利用板温度传感器（42，52）检测第一和第二操作表面（41，51）的板温度，板温度传感器定位在第一操作表面（41）和第二操作表面（52）上并产生指示第一和第二操作表面温度的板温度信号；

       分析空气温度信号和板温度信号并且产生目标空气温度设置点和目标板温度设置点，这些设置点将被用于在薄片下和薄片上模式操作过程中的热控制，其中初始目标第一和第二板温度选自在薄片上操作期间的第一和第二板（41、51）的稳态温度，而初始目标空气间隙温度选自在薄片上操作期间的空气间隙（86）的稳态温度；

       比较实际的第一和第二板温度与空气间隙温度与各自的目标温度并基于该比较产生误差信息；以及   

       将误差信息发送给第一或第二控制回路，其中第一控制回路在处于工作状态时在双头扫描器处于薄片上模式时操作，而第二控制回路在处于工作状态时在双头扫描器处于薄片下模式时操作，以允许操纵第一板致动器（45，46）、第二板致动器（55，56）和第三空气致动器（98，108）中的至少一者的设置点从而修正与期望空气间隙温度分布的偏离，并且其中用于未处于工作状态时的控制回路的设置点被存储为起始点以在操作状态在薄片上模式操作和薄片下模式操作之间切换时能实现快速反应。

9.如权利要求8所述的方法，其中初始目标第一和第二板温度选自在薄片上操作过程中的第一和第二板（41，51）的稳态温度，而第一和第二板致动器（45，46，55，56）被设置为在10％到40％之间的值，并且初始目标空气间隙温度选自在薄片上操作过程中的空气间隙的稳态温度，而第三空气致动器（98，108）功率被设置在10％到40％之间的值。

10.如权利要求8所述的方法，还包括步骤：

从空气间隙（86）移除连续幅材（68）；以及

切换到薄片下模式操作同时维持第一板（41）的温度和第二板（51）的温度处于和在薄片上模式操作中连续幅材（68）位于空气间隙（86）内时同样的温度范围内。

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