CN1192806A - 测定纸或纸板纤维网中纤维取向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测定如由高水分含量拉长纤维组成的纸或纸板纤维网这样材料(3)中的纤维的取向的方法和装置,在本方法中物质(3)经受一个位于材料平面内的RF或微波频段的交变电场的作用并且由于所说的材料(3)在所说的交变电场(E)中的存在所引起的改变被测量。按照本发明,所说的交变电场的方向在测量期间是变化的,因此材料(3)不需相对于测量用的谐振器旋转。

Description

测定纸或纸板纤维网中纤维 取向的方法和装置

本发明涉及按照权利要求1前序测定纸或纸板纤维网中纤维取向(即取向角和取向比)的一种测量方法。

发明还涉及测定纸和纸板纤维网中纤维取向的装置。

这里所讨论的方法和装置能够在线地用于纸和纸板纤维网的成型机上以对纸和纸纤维网中的纤维的取向比和取向角作非接触测定。显示装置也可以在实验室中使用以测定纤维取向比和角。

在现有的工艺中，没有可靠的方法适用于纤维取向的在线测量。但是，纤维取向比和取向角是纸纤维网的关键参数。纤维取向影响纸和纸板的强度性质。纤维网的抗拉强度对于拉力平行于纤维的情况要比拉力垂直于纤维的情况高。在印刷机中和复印机中纸的流动性也与纤维取向有关。具有不良纤维取向角和取向比的等级的纸会以不希望的方式卷曲和收缩。

在造纸机中，对纤维网成形时纤维的取向影响最重大的是金属丝速度与从前箱刮片喷出速度之差。如果这个速度差，或牵伸，大于零，纤维的取向会主要在机器方向，因此纤维网在机器方向的抗拉强度会如在大多数情况中所期望的那样增大。如果前箱刮片的喷速包含一个正交于机器的分量，纤维的主要取向方向可能偏离机器方向，因而纤维取向角变成不为零。按定义，纤维取向比是在正交机器方向和机器方向纤维取向之差。当作为在此二方向上抗拉强度被测量时，这个比一般是从2到3。

纤维取向能够用一个基于激光的常规的方法离线地测量。在此方法中，用一圆射束激光束照射纸纤维网表面，在纸表面上激光光斑假设是椭圆形的，因为主要是在成型纤维的机器方向的纤维的光学性质在沿纤维方向测量时与垂直于纤维方向测量时不一样。所以，椭圆主轴的长度比正比于纤维取向比，并且椭圆主轴相对于机器方向的旋转角度与取向角成比例。虽然此方法已在实验室离线测量中获得应用，但它不适宜作可靠的在线测量。在在线测量的条件下，方法受到其中包括光学系统对脏污的敏感性，激光光斑的小尺寸以及光学系统在振动的纤维网上的聚焦的困难性的阻碍。此外，方法仅仅适用于能透光的薄厚度的纸类。

在本专业技术中还有一个方法是大家所知道的，在此方法中，纸纤维网的杨氏模量被用超声方法在机器方向和正交机器方向上进行测量。此方法的基础是超声波在沿纤维网的不同方向上传播的速度依赖于纤维取向。此方法不适合于在线测重，且在实验室条件下，结果除依赖于纤维取向外，还依赖于受束搏纤维的内部应力。由于环境空气压力的迅速变化，这发生在快速运动的纤维网的表面上，此方法的在线应用被复杂化。此外，由于方法需要与纤维网的物理接触，它的在线测量的适用性受到严重的限制。

纤维取向还可通过一个传统的方法来决定，此方法的基础是利用拉伸实验设备测量在机器方向和正交机器方向上的抗拉强度，此方法适合作纸样的离线测量。

另一个取向决定的方法是基于表面纤维部分染色后对纸纤维网的表面成象技术。此方法是笨拙的，且只展现表面纤维的取向。

本发明的目的是克服上述方法的缺点，并提供一种测定高湿度纤维网中纤维取向的方法和装置。

让一个由纤维例如纸或纸板纤维网组成的湿的平面物质经受一个射频(RF)或微波频段的平面电磁场的作用，将电磁场的波前与纤维网的平面平行，因而使得不用改变物质相对于测量设备传感器头的取向即可测量所说平面物质的纤维取向来实现本发明的目的。因此，例如在造纸机中行进的纸纤维网的纤维取向能被测量。在本发明的优先实施例中，电磁射频场的方向被改变且由待测物质中的电极化引起的介电损耗被作为电场极化的函数来测量。在方法的另一个实施例中，由物质的被取向的纤维所引起的极化矢量的角度方向改变则利用一个恒定场强的射频电场来测量。在方法的第三个可选择的实施例中，在物质中的损耗则藉助于在一个开槽的矩形腔谐振器中三个驻波模来同时测量。在每个模的射频电磁场设置成与纤维网的平面平行时，每个模有不同的极化。第一个模的电场在x方向取向，第二模在y方向，第三个模在径向取向。因此，第三个模适宜于检测纸纤维网中的平均介电损耗。根据用不同驻波模测得的损耗，计算纤维取向椭圆、纤维取向(即取向角和比)能够被确定。

按照本发明的方法的一个基本的特征是待测的平面物质比如纸纤维网的纤维取向测定不用将物质相对于测量设备的传感器头作旋转。相对于现有的本专业的各种技术而言这是一个重大的优点，促进本方法应用到例如造纸机上的在线测量。

更准确地说，按照本发明的方法具有以在权利要求1的表示特征部分中作说明的特征。

此外，按照本发明的装置具有由权利要求14的表示特征部分中所说明的特征。

本发明提供显著的利益。

因为本发明的基础是测量在集聚纤维里所束缚的水中的介电损耗，它对例如束缚纤维的内应力是不敏感的。因此，本发明适合于非接触在线测量，其能对例如造纸工业中的过程控制贡献巨大。

下面将通过举实施例说明连同参考附图的方法更详细地分析本发明。其中：

图1a～1c各显示一条由水分子束缚的但相对于按照本发明的方法中的外电场取不同方向的纤维素纤维；

图2a显示按照本发明的腔谐振器的纵向剖面侧视图；

图2b显示图2a的腔谐振器的顶视图；

图3a显示按照本发明的腔谐振器的另一个实施例的纵向剖面的侧视图；

图3b显示图3a的腔谐振器的顶视图；

图4显示按照本发明的测量装置的电路图，以及

图5显示按照本发明的测量装置的另一个实施例的电路图，其进行基于由恒定场强的外电场在待测量的物质中引起的极化矢量的角度方向的改变的测量。

参照图1a至1c，为简化起起，单纤维素纤维1在外电场E中的性质被分析，纤维素纤维1的直径是1～5μm，长度为0.5～5mm，水分子2束缚在纤维1表面上。由于它的强偶极子性质，所有的水分子将几乎不变地相对于纤维1的主轴以相同的方式对齐。当这种聚合被置于一个外电场E中时，它与外电场的相互作用就会强烈地依赖于电场矢量相对于纤维1的取向。因为在纤维网中的水主要是束缚在纤维1的表面上，水分子与电场的相互作用反映纤维1的取向。当外电场矢量如图1a所示那样平行于纤维纵向轴取向时，水-纤维的聚合体感应的电极化矢量(Pxx)要比当外电场矢量如图lb所示那样在垂直于纤维纵向轴取向时所获得的电极化矢量(Pyy)强得多。在中间情况下，当纤维的纵轴与外电场矢量斜交时如图1c所示那样，所得到的电极化矢量(Pxy)的方向偏离外电场矢量的方向。

在按照本发明的方法中，纤维相对于测量装置的传感器头的取向不需要改变，按照本发明的方法的根本特性是通过改变外电场矢量E相对于纤维的方向的方法来测量纤维的取向。外电场矢量E是用传感器来产生的。简单的分析表明，外电场矢量在纤维网平面内作全360。圆的旋转，造成纤维的电极化矢量感应外电场矢量在纤维网平面内画一个椭圆。椭圆的主轴同纤维平均取向的方向对剂。椭圆的两个轴的比率给出纤维取向比。椭圆的取向能通过三个独立的测量明确地确定。

在一般情况下，在非各向同性的物质中的极化矢量P可用下式表示：

              P＝ε₀· x· E其中 x是是各向异性物质磁化率张量。磁化率张量的分量是复数，其虚部比例于由处于微波电磁场中的物质所引起的介电损耗的大小。在二维情况下，公式能重写为： $\left[\begin{array}{c}{P}_r\\ P_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x^{\′}}_{\mathrm{xx}}+j{x^{\′\′}}_{\mathrm{xx}}& {x^{\′}}_{\mathrm{xy}}+j{x^{\′\′}}_{\mathrm{xy}}\\ {x^{\′}}_{\mathrm{yx}}+{{\mathrm{jx}}^{\′\′}}_{\mathrm{yx}}& {x^{\′}}_{\mathrm{yy}}+{{\mathrm{jx}}^{\′\′}}_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]{\[}_{E_y}^{E_X}\]$

通过测量由极化矢量感应的电场矢量，就可能决定其中的磁化率张量，它的分量的实部和虚部比例于纸纤维网中纤维的取向分布。磁化矢量张量分量的虚部的大小既依赖于纤维，又依赖于束缚在纤维上的水，如果测量频率小于3GHz，在纸或纸板中包含的胶料和填充和媒质对张量的实部的影响比对它的虚部大。因此，如果磁化率张量的实部要被单独用到的话，纤维取向比的决定是更困难的任务。

按照本发明，纤维取向主要取决于磁化率张量的虚部，也即取决于待测物质的介电损耗。因为在纸和纸板纤维网中介电损耗强烈地依赖于所束缚的水的量，此损耗按照纤维的取向分布将是各向异性的。这也起因于水总是由一种单一的机制束缚在纤维表面上这个事实。由于本方法是以测量由纤维聚合体中束缚的水所引起的介电损耗为基础的，它是对例如出现在纤维聚合体中的内应力不敏感的。

现在参照图2a和2b，其中显示一个按照本发明的实施例。纸纤维网3通过一个开槽腔谐振器9。腔谐振器9的上部4处于纤维网的上方而其下部处于纤维网的下方，它们分别有一方形截面。因此该腔能维持两个具有相等谐振频率的正交谐振模。两个模的电场位于待测纸纤维网的平面内。所以一个模的电场矢量在x方向取向而另一个则在y方向。腔谐振器9的上部装有四个探头6和10，其被安置得既能用它们激励任何一个共振模，又能用它们测量任何一个共振模。当纸纤维网3穿过谐振器9时，利用微波工程中所熟知的技术测量三个参量：1)Dxx代表电场x方向的共振模的介电损耗项，2)Dyy代表电场的y方向共振模的介电损耗顶，以及3)Dxy代表x和y方向共振模的区耦的介电损耗项。利用普通的数字方法，在纤维网中纤维的主取向方向和取向比就能从这三个参量计算。在现在的方法中，Dyy和Dxx能够通过测量它们相关模的品质因数来得到。Dxy也能通过用相敏检波器测量同x方向电场矢量有关系的y方向电场矢量的虚部来获得。Dyx也能用相同的方法测量。这种安排特别适用于纤维取向或者在x方向或者在y方向的情况。这里，Dxy和Dyx相对于主项Dyx和Dyy是小项。实际上，本方法最适用于小的取向角的确定。另一方面，介电损耗可以通过利用普通的微波测量技术测量在两个主方向上谐振器的品质因数来确定。通过从由y方向激励电场的频率依赖性所修正的x方向电场频率依赖性间接测量各个品质因数。能获得模交义耦合的介电损耗项。纤维取向比还与纤维网的水分含量有关。因此为补偿本方法的温度依赖性可安排一个附加的z方向介电损耗项的测量。

参照图3a和3b，本方法的另一个实施例被显示，其中纸纤维网3被安排穿过带有圆形截面的开槽腔谐振器。腔谐振器包括上部7和下部5，上部7适合于纤维网3的两侧且附有探头6。此类腔谐振器能维持无数的共振模，这些共振模在同一频率上并在空腔中位于假设的(在腔中没插入的)纸纤维网的平面内有它们的电场矢量。谐振器装有两个探头6用作激励腔以便获得两个其电场矢量正交取向的共振模。分别地两个测量探头装在腔中以测量两个共振模的电场。用一个微波信号在相同相位下馈给激励探头。微波信号来自一个容许在腔的共振频率附近偏离信号频率的源。通过调节馈入探头的信号的微波功率比能够造成谐振器中两个模的叠加的总电场在所希望的方向上取向的情况。在本方法中，无论共振频率还是在谐振器中激励的两个模的合成的介电损耗都是作为总电场的角方向的函数来测量的。最大损耗或最小共振频率的角方向指在纤维网的纤维的主要取向方向。相应地，最小损耗或最高共振频率发生在垂直于主要取向的方向上。这两个垂直方向上损耗的比值比例于纸纤维网的取向比，以及纤维取向角因此直接从最大损耗或最小共振频率处的总电场矢量的角方向得到。

在装备了在线测量的造纸机中，谐振器的两半典型地置于一个横动的测量托架上，此托架使传感头在正交于机器方向的方向上横过纤维网往复地运动。这里，谐振器两半的相互对准在横向运动期间可能改变，因此谐振器的xy对称性被扰乱。在具有方形截面的谐振器中此种偏差被证实因此初始化相同频率上振荡的两个正交模的共振频率呈现不同的共振频率。类似地，具有圆形截面的谐振器的共振模被移至分离的共振频率，甚至当谐振器不包含此种会固有地由于纤维网中纤维取向引起共振模不对称性的纸纤维网时。如果与横越运动的机械误差有关的xy不对称性不作校正，纤维取向测量的误差就会产生。两处不同的处理能被用来使该误差减至最小：

1)在xy-平面内测量谐振器两半的相互位置，并用机械的或电磁的调节器实现它们相互位置的对准。

2)在xy-平面内测量谐振器两半的相互位置，并用计算的方法修正由于谐振器的不对准在纤维取向测量的结果中所引起的误差。谐振器两半在xy-平面内的相互对准能够用电感的、电容的或光学的方法来测量。依据磁场的电感的位置测量对脏污(由于纸起毛、湿度等)不敏感。

现在参看图4，显示一个具有圆形截面的腔谐振器的微波电子线路的实施例，详细讲，其中压控振荡器(VCO)11产生所需的微波功率，其由一个功率分离器12分成两支。一部分功率经由一个阻性功率分配器13送给两个压控衰减器(混频器)14，由此信号经放大器15以等相位送给探头以激励谐振器的正交模(x-和y模)。功率的另一部分经由衰减器16和放大器17，经由阻性功率分配器18、送给两个90°相移检波器19、其利用锁相检测方法测量谐振器的两个正交电场模的无论是同相还是异相的电场矢量幅度。微波电子线路或者利用模拟电子线路产生的低频控制信号控制，或者利用微处理进行数字控制。通过改变VCO11的控制输入电压控制电子线路单元通过变化VCO11的控制输入电压识别沿振器的共振频率并且从测得的电压(R{x}、Im{x}、R{y}、Im{y})和展宽的共振频率响应曲线计算谐振器损耗。通过改变在x幅度调整和y幅度调整的输入端上的控制电压，在腔中所激励的共振模的电场能够被旋转到在纸纤维网平面内的任何所希望的方向上。因此共振损耗和/或共振频率能够作为电场矢量的角方向的函数被测量。

参照图5，利用图示的设计，通过由振荡器20馈送的探头26、能够在腔谐振器7中建立起具有恒定场强的交变电场。场强通过由一端接地的耦合环路24，二极管检测器23和PI控制器组成的反馈环路来稳定。PI控制器让一个标为ref的设定值电压加到其另外的输入器，控制器输出接到压控衰减器21。由恒定强电场在待测物质中引起的极化矢量角方向改变则利用耦合环路24和25来检测。来自耦合环路24和25的信号加到压控衰减器29和30上，其输出28和29提供极化矢量角方向改变的信息，因此也提供在测物质的纤维取向的信息。

图2a和2b中所示的方形截面的腔谐振器可以用一个矩形截面的谐振器代替，从而测量装置可以作如下修改。谐振器的位于在测纸纤维网的平面中的三个最低次模的电场取向如下：第一个模在x方向、第二个模在y方向，第三个模在待测纸纤维网的平面内的径向。利用上述的方法，谐振器9用来测量共振模的损耗，或者说模的共振频率，借助于三个独立的测量，仍可能计算纤维取向椭圆，因而能解出纤维取向角和取向比。

在本方法的一个实施例中，具有圆形截面的开槽腔谐振器(见图3a和3b)装有至少三个探头，以此用微波功率来激励腔，当由每个探头所激励的模的电场位于在测纸纤维网的平面内时，它们的电场矢在不同的方向上。利用至少三次独立的测量(也即损耗或共振频率的测量)取向椭圆再次被测定。

Claims (17)

1.确定在如象包含有高水分含量细长纤维(1)的纸或纸板纤维网这样材料(3)的纤维(1)的纤维取向(取向角和取向比)的方法，其中物质(3)经受一个位于材料平面内的射频(RF)或微波频段的交变电场(E)的作用并由于所说物质(3)在所说交变电场(E)中的存在所引起的改变被测量，其特征在于所说的交变电场(E)的方向在测量期间是变化的、从而被测材料(3)不需要相对用于测量的谐振器旋转。

2.按照权利要求1确定的方法，其特征在于所说的交变电场(E)的方向在测量期间被连续变化。

3.按照权利要求1确定的方法，其特征在于所说的交变电场的方向在测量期间被逐步地变化。

4.按照权利要求1所确定的方法，其特征在于由电极化所引起的损耗被从材料(3)测量。

5.按权利要求1所确定的方法，其特征在于所说的交变电场(E)利用腔谐振器(8、9)来产生。

6.按照权利要求5所确定的方法，其特征在于所说的腔(8，9)的共振频率对所说的交变电场(E)的不同的角方向被测量。

7.按照权利要求5所确定的方法，其特征在于所说的交变电场(E)利用具有方形截面的腔谐振器(9)来产生。

8.按照权利要求5所确定的方法，其特征在于所说的交变电场(E)利用具有圆形截面的腔谐振器(8)来产生。

9.按照任意前面的权利要求所确定的方法，其特征在于所说材料(3)的运动的纤维网中的所说纤维(1)的取向借助于具有圆截面的腔(8)和电场矢量的角方向是可变的电场来测量。

10.按照权利要求5所确定的方法，其特征在于利用方形截面的开槽腔谐振器(9)产生所说的交变电场以便谐振器(9)的三个最低次模的射频电场位于纸质纤维网的平面内，而它们的电场矢量按角方向安排成使第一个模的电场被对准在x方向，第二个模的电场在y方向且第三个模的电场在纸纤维网(3)的平面内被径向对准。所说三个模的损耗被测量，测量结果用于取向椭圆的计算，由此能测定纤维取向(取向角和取向比)。

11.按前面任意权利要求所确定的方法，其特征在于或者利用由模拟电子线路产生的低频控制信号控制该测量系统或者用微处理器数字地控制测量系统，通过测量所说谐振器(8、9)的共振频率并且从所测的场敏电压(Re{x}，Im{x}，Re{y}，Im{y})以及从谐振器响应的频率展宽来计算谐振器损耗，为将谐振器(3)的损耗作为电场矢量(E)的角方向的函数进行测量，从而变化反馈电压(x-幅度调整和y-幅度调整)以控制谐振器(8，9)中的电场矢量在待测的所说的纸质纤维网的平面内的所希望的角方向上。

12.按权利要求8所规定的方法，其特征在于所说的谐振器至少装有三个探头，用来以微波功率激励腔，每个探头激励一个在所说的纸质纤维网(3)的平面内所希望的取向的电场(例如在x和y方向以及在两者之间的方向)，并且每个探头交替地依次由微波功率馈给，与每个模相关的损耗被测定以及，在至少三次损耗测量的基础上，完成确定纤维取向椭圆的计算，由此椭圆可以进一步测定纤维取向角和取向比。

13.按权利要求5所确定的方法，其特征在于在一个往返移动的测量系统中所说的谐振器(8，9)分开的两半(4，5)的相互位置在xy平面内被测量、与相互对准的可能的偏差在测量过程中用计算的方法被校正和补偿。

14.确定如包含高含水量拉长纤维的纸或纸板纤维网这样材料中的纤维的纤维取向的装置，所说的装置包括：-谐振器单元(8，9)用于产生在所说的材料(3)的平面内的交变电场(E)，-用于激励的设备(6)和用于检测所说的交变电场以及测量在所说的谐振器单元(8，9)中的场的设备(10)，-功率产生设备(12，14，15)用于将微波功率馈入所说的激励设备(6)和检测设备(10)，以及-用于产生射频或微波信号进行所说的功率分配和馈给单元(12，14，15)的设备(11)，-功率分配设备(12，14，15)适合于变化在所说的谐振器中的所说的交变电场的方向，因此材料(3)不需为了测量而相对于谐振器旋转。

15.按权利要求14所确定的方法，其特征在于谐振器单元是一个腔谐振器(8，9)。

16.按权利要求15所确定的方法，其特征在于所说的腔谐振器9具有方形截面。

17.按权利要求15所确定的方法，其特征在于所说的腔谐振器(8)具有圆形截面。

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