FI101751B - Sakeuden mittaus- ja säätömenetelmä ja -järjestely - Google Patents

Description

101751

Sakeuden mittaus- ja säätömenetelmä ja -järjestely

Tekniikan ala

Keksinnön kohteena on mittausmenetelmä erityisesti 5 sakeuden mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään ra-diometriä, johon kuuluu antenni, joka on mittauskohteen läheisyydessä ottamassa vastaan luonnollista termistä mik-roaaltosäteilyä, ja jolla radiometrillä mitataan mittaus-kohteen lähettämää mikroaaltosäteilyä, jonka voimakkuus 10 riippuu mittauskohteen sakeudesta.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä formerin ohjaamiseksi, jota menetelmää käytetään paperikoneessa, johon kuuluu perälaatikko, formeri, puristinosa, viira, viiralla mittauskohteena oleva paperiraina, jossa menetelmässä mi-15 tataan sakeutta paperirainassa, joka tulee paperikoneen perälaatikosta viiralle, etenee viiralla formeriin ja edelleen puristinosaan, ja jossa menetelmässä käytetään radiometriä, johon kuuluu antenni, joka on mittauskohteena olevan paperirainan läheisyydessä ottamassa vastaan luon-20 nollista termistä mikroaaltosäteilyä, ja jolla radiomet- rillä mitataan mittauskohteena olevan paperirainan lähettämää mikroaaltosäteilyä, jonka voimakkuus riippuu paperirainan sakeudesta.

Keksinnön kohteena on lisäksi mittausjärjestely eri-25 tyisesti sakeuden mittaamiseksi, joka käsittää radiometrin ja antennin, joka on mittauskohteen läheisyydessä ottamassa vastaan luonnollista termistä mikroaaltosäteilyä, ja joka radiometri on sovitettu mittaamaan mittauskohteen lähettämää mikroaaltosäteilyä, jonka voimakkuus riippuu 30 mittauskohteen sakeudesta.

Keksinnön kohteen on edelleen formerin ohjausjärjes-.· tely käytettäväksi paperikoneessa, joka käsittää perälaa- tikon, formerin, puristinosan, viiran, viiralla olevan paperirainan ja mittausjärjestelyn, joka on sovitettu mit-35 taamaan sakeutta paperirainassa, joka on tullut paperiko- 2 101751 neen perälaatikosta viiralle, edennyt viiralla formeriin ja edelleen puristinosaan, ja joka mittausjärjestely käsittää radiometrin ja antennin, joka on mittauskohteena olevan paperirainan läheisyydessä ottamassa vastaan luon-5 nollista termistä mikroaaltosäteilyä, ja joka radiometri on sovitettu mittaamaan mittauskohteen lähettämää mikroaaltosäteilyä, jonka voimakkuus riippuu mittauskohteen sakeudesta.

Tekniikan taso 10 Laadultaan hyvän paperin valmistamisessa tarvitaan tarkkaa paperirainan vesi- tai kuiva-ainepitoisuuden eli sakeuden mittausta ja säätämistä. Jos paperirainan sakeus on liian pieni, paperiraina ei pysy tasalaatuisena ja kui-vausvaiheessa kuluu paljon ylimääräistä energiaa. Jos taas 15 paperirainan sakeus on liian suuri, paperiraina ei myöskään tässä tapauksessa pysy tasalaatuisena ja valmistuvan paperin laatu kärsii. Sakeuden mittaus tapahtuu erityisesti formerissa, jonka säätö nykyisin perustuu yleisimmin poistetun veden määrän mittaukseen. Vesipitoisuuden tai 20 tarkemmin konsistenssin mittaus tällä tavalla paperi-rainassa on epätarkka mm. siksi, että poistettu vesi sisältää paljon ilmaa. Mittaus voi perustua myös radioaktiiviseen läpäisymittaukseen, jonka huonona puolena on se, että mittaukseen tulee mukaan rainan alla oleva viira ja 25 siihen sitoutunut vesi. Myös infrapunatekniikkaan perustuvia kosteus- ja sakeusmittareita on testattu ko. sovelluksessa, mutta niiden ongelmana on se, että ne mittaavat ainoastaan pinnan kosteutta. Myös mikroaaltotekniikkaa on sovellettu paperirainan sakeuden mittaamiseen, jolloin 30 mittarit on yleensä asennettu puristinosan jälkeen ennen paperin kuivausta. Näissä paikoissa ei paperirainan alla ole enää viiraa, joten myös paperin läpäisyyn perustuvat mittarit voivat toimia tarkasti. Toisaalta formerin ohjaus ei puristinosan takaa ole enää mahdollista. Mikroaalto-35 menetelmät perustuvat joko mikroaaltoresonaattoriin tai 3 101751 aktiiviseen kuvantavaan tekniikkaan. Mikroaaltoresonaatto-rien ongelmana on se, että ne ovat yleensä molemmin puolin rainaa, jolloin viira ja siihen sitoutunut vesi häiritsevät mittausta. Samoin kuvantavat menetelmä perustuvat pa-5 perirainan läpäisyyn siten, että lähetin ja vastaanotin ovat eri puolella paperia tai mittaus tapahtuu antamalla signaalin heijastua rainan taakse asennetusta heijastimesta. Myös näissä tapauksissa viira ja sen vesi häiritsevät mittausta.

10 Keksinnön 'tunnusmerkit

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin toteuttaa menetelmä ja järjestely, jotka mittaavat mittaus-kohteen itsensä tuottamaa mikroaaltosäteilyä myös pintaa syvemmältä välttäen samalla kuitenkin viirasta tai muualta 15 taustasta tulevan häiriösäteilyn sekä kohteen itsensä sä-teilemän säteilyn heijastumien interferenssit kohteen sisällä .

Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä mittausmenetelmällä, jolle on tunnusomaista, että mitataan 20 mittauskohteen sakeus mikroaaltosäteilyn voimakkuuden funktiona käyttäen sellaista mittaustaajuutta tai taajuusaluetta, että mittauskohteen läpi tulevan häiriöllisen säteilyn voimakkuus vaimenee mittauskohteen läpäistessään mittauksen kannalta epäoleellisen pieneksi, ja käytetään 25 näin mittauskohdetta suodattamaan häiritsevää taustasätei lyä vähemmäksi.

Keksinnön mukaiselle formerin ohjausmenetelmälle on tunnusomaista, että mitataan mittauskohteena olevan pa-perirainan sakeus mikroaaltosäteilyn voimakkuuden funktio-30 na käyttäen sellaista mittaustaajuutta tai taajuusaluetta, että paperirainan läpi tulevan häiriöllisen säteilyn voi-·’ makkuus vaimenee paperirainassa mittauksen kannalta epä oleellisen pieneksi, ja käytetään näin mittauskohteena olevaa paperirainaa suodattamaan häiritsevää taustasätei-35 lyä vähemmäksi, ja mitattua sakeustulosta käytetään ohjaa- 4 101751 maan formeria sakeuden korjaamiseksi paperirainassa.

Keksinnön mukaiselle mittausjärjestelylle on tunnusomaista, että mittausjärjestely on sovitettu mittaamaan mittauskohteen sakeus mikroaaltosäteilyn voimakkuuden 5 funktiona käyttäen sellaista mittaustaajuutta tai mittaus-taajuusaluetta, että mittauskohteen läpi tulevan häiriöl-lisen säteilyn voimakkuus vaimenee mittauksen kannalta epäoleellisen pieneksi, ja näin mittauskohde on sovitettu suodattamaan häiritsevää taustalta tulevaa säteilyä vähem-10 mäksi.

Keksinnön mukaiselle ohjausjärjestelylle on puolestaan tunnusomaista, että mittausjärjestely on sovitettu mittaamaan mittauskohteen sakeus mikroaaltosäteilyn voimakkuuden funktiona käyttäen sellaista mittaustaajuutta 15 tai mittaustaajuusaluetta, että mittauskohteen läpi tulevan säteilyn voimakkuus vaimenee mittauksen kannalta epäoleellisen pieneksi, ja näin mittauskohde on sovitettu suodattamaan häiritsevää taustalta tulevaa säteilyä vähemmäksi, ja mittausjärjestely on edelleen sovitettu ohjaa-20 maan formeria paperirainan sakeuden korjaamiseksi.

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja järjestelyllä saavutetaan huomattavia etuja. Niillä voidaan mitata paperirainan tai vastaavan mittauskohteen sakeus käyttäen mikroaaltosäteilyä, joka tulee myös pintaa syvemmältä 25 välttäen samalla kuitenkin viirasta tai muualta taustasta tulevan häiriösäteilyn.

Kuvioiden selitys

Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, joissa 30 kuvio 1 esittää mittaustapahtumaa ja mittauslai tetta, ·' kuvio 2 esittää säteilyn intensiteetin periaat teellista käyttäytymistä taajuuden ja mittauskohteen paksuuden funktiona, 35 kuvio 3 esittää radiometriä, joka on varustettu 5 101751 usealla antennilla, kuvio 4 esittää mittalaitteiden sijoittamista paperikoneeseen, kuvio 5 esittää pinnoituspastan mittausta telas- 5 ta, kuvio 6 esittää pinnoituspastan mittausta pape riarkista ja kuvio 7 esittää paperirainasta lähtevän mikro-aaltosäteilyn kirkkauslämpötilan muuttumista paperirainan 10 sakeuden kasvaessa ajan funktiona.

Edullisten toimintamuotojen kuvaus Keksinnön mukainen ratkaisu sopii käytettäväksi erityisesti paperinvalmistuksessa ja pinnoituksessa siihen kuitenkaan rajoittumatta. Tarkastellaan aluksi keksinnön 15 teoreettista taustaa. Säteilyn voimakkuutta kuvaava termi on kohteen kirkkauslämpötila, joka voidaan esittää kaavan (1) avulla.

TB = η·Τρ, (1) 20 missä, TB on kirkkauslämpötila, Tp on kohteen fysikaalinen lämpötila ja η on kohteen emissiviteetti, joka voidaan puolestaan yleisesti muodostaa esimerkiksi kaavalla (2).

.25 η = 1 - |ΓΕ|2, (2) missä |ΓΕ| tarkoittaa itseisarvoa muuttujasta ζ , joka on kaavan (3) mukaan 30 [—2-n— p2n-J: - μ^Λω (μ ε. - pxe ) + (n-Jc ) ] |Γ£| = —--- V 22 -...... (3) P2n·*! + ρ1*^ω2(ρ2€2 - p^) + (n Ifj) 2] missä Pj on häviöttömän materiaalin (ilman) permeabiliteet-35 ti on prjPo, Pri on häviöttömän materiaalin (ilman) suhteel- 6 101751 linen permeabiliteetti = 1, μ2 on häviöllisen materiaalin (paperin) permeabiliteetti = μΓ2μ0, μΓ2 on häviöllisen materiaalin (paperin) suhteellinen permeabiliteetti, μ0 on tyhjön permeabiliteetti = 4π x 1CT7 H/m, εχ on häviöttömän 5 materiaalin (ilman) permittiivisyys = εΓ:ε0, εcl on häviöttömän materiaalin (ilman) suhteellinen permittiivisyys = 1, εχ on häviöllisen materiaalin (paperin) permittiivisyys = εΓΐε0, εrl on häviöllisen materiaalin (paperin) suhteellinen permittiivisyys, ε0 on 8.854 x 10"12 F/m, n on sätei-10 levän pinnan normaalin yksikkövektori, k: on säteilyn aal- tovektori, ω on 2πί ja f on säteilyn taajuus.

Sovellettaessa mikroaaltomittaustekniikkaa keksinnön mukaisesti paperin, pinnoitusaineen tai muun vastaavan mittaukseen pitää ottaa huomioon seuraavat olosuh-15 teista aiheutuvat seikat. Mittaustaajuus on edullista valita siten, että mittauskohde kuten paperi ei "näy" läpi. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että mikroaallon vaimennus mittauskohteen läpi kulkiessaan pitää olla niin suuri, että kaikki antenniin tuleva säteily tulee oleellisesti 20 mittauskohteesta, eikä sen takaa kuten paperirainan takana olevalta viiralta. Tämä mahdollistaa kuitenkin sen, että säteilyä tulee myös mittauskohteen sisältä eikä pelkästään pinnasta. Esimerkiksi paperikoneympäristössä tai missä tahansa mittausympäristössä on paljon lämpimiä, karheita 25 kohteita, jotka säteilevät niiden fysikaalista lämpötilaa vastaavalla kirkkauslämpötilalla. Mittausantennit pitää suunnitella ja sijoittaa siten, että tämän säteilyn heijastus mittauskohteesta kuten paperista antennin vastaanotto-osaan estetään. Mikroaallon vaimennus mittauskohtees-30 sa voidaan laskea kaavalla (4) A (dB/cm) = 17.372 · (2π/λ) · | ε r |1/2 · sin (s/2 ) , (4) missä A = mikroaallon vaimennus, λ on mikroaallon aallon-35 pituus senttimetreinä, |εΓΙ = ' 2C + e' ' \ ja s on arc- 7 101751 tan ( ε’Γ' / z'r) .

Mitattavasta materiaalista täytyy siis tuntea sen dielektriset ominaisuudet, jotta kaavaa (4) voidaan käyttää. Veden dielektriset ominaisuudet ovat tunnetut ja esi-5 merkiksi seuraavia arvoja voidaan käyttää laskennassa. Kun taajuus f on f = 10 GHz, ovat dielektrisyysvakiot vedelle = 60 ja ε” = 20. Kun taajuus f on f = 24 GHz, ovat dielektrisyysvakiot vedelle ε^. = 40 ja ε” = 32. Paperin dielektriset ominaisuudet puolestaan eivät riipu taajuudesta 10 juuri ollenkaan johtuen siitä, että selluloosamolekyylit ovat isoja hiilivetyketjuja, joiden polariteetti on matala erityisesti korkeilla taajuuksilla. Paperin dielektrisyysvakiot ovat z'r = 3 ja ε" = 0.1.

Paperirainan, jonka sakeus on 15 %, dielekt- 15 risyysvakio voidaan approksimoida veden ja kuivan paperin arvoista. Riippuvuus on epälineaarinen ja sen laskemiseen on kehitetty erilaisia seosmalleja. Laskemalla saadaan satunnaisesti jakautuneen neulasmaisen materiaalin (paperin) dielektrisyysvakioksi 15 % sakeudella seuraavat tulokset.

20 Kun taajuus f on f = 10 GHz, reaalinen dielektrisyysvakio ε^. on ε^. = 46.4 ja imaginaarinen dielektrisyysvakio ε” on ε" = 15. Kun taajuus f on f = 24 GHz saadaan paperirainalle vastaavasti ε^. = 31.4 ja ε” = 24.1. Sijoittamalla arvot kaavaan (4) saadaan, että kun mittaustaajuus on f = 10 25 GHz, vaimennus A on A = 4.0 dB/mm ja kun taajuus f on f = 24 GHz, vaimennus A on A = 14.7 dB/mm. Paperiraina on for-merin jälkeen tavallisesti noin 1 mm:n paksuinen, joten mittaustaajuuden pitää olla yli 20 GHz, jotta paperirainan alla oleva viira ja siinä oleva vesi eivät vaikuttaisi 30 mitattavaan kirkkauslämpötilaan ja siten sakeusmittauk-seen.

Seuraavaksi voidaan esimerkin vuoksi laskea paperirainan ja veden välinen kirkkauslämpötilaero taajuudella f = 24 GHz kaavalla (2). Olettamalla rainan fysikaaliseksi 35 lämpötilaksi TP = 20°C (293 K), saadaan veden kirkkausläm- 8 101751 pötilaksi TBvesi = 105.8 K ja paperirainan kirkkauslämpöti-laksi TBpaperi = 122.1 K. Havaitaan, että molemmat kohteet ovat kylmiä ja niillä on selvä noin 16 K:n ero. Seuraavak-si lasketaan mittauksessa tarvittava herkkyys. Radiometrin 5 herkkyys voidaan laskea kaavalla (5).

ΔΤ = ΚΊ,//Βτ, (5) missä K = 2 (Dicke radiometri), Ts on vastaanottimen sys-10 teemikohinalämpötila, B on mittaustaajuuden kaistaleveys ennen ilmaisua ja τ on integrointiaika. Systeemikohinaläm-pötila voidaan laskea kaavalla (6)

Ts = T0 · (F - 1) , (6) 15 missä F = vastaanottimen kohinaluku ja T0 = vastaanottimen lämpötila. Olettamalla nykykomponenteilla helposti saavutettavat arvot: F = 5 dB, TD = 293 K, B = 1 GHz ja τ = 1 s, saadaan ΔΤ = 0.01 K, mikä osoittaa, että sekunnin 20 integrointiajalla on mahdollista saavuttaa 0.015 %:n erottelukyky.

Tarkastellaan nyt lähemmin keksinnön mukaista ratkaisua kuvion 1 avulla. Mittausjärjestely käsittää radiometrin 101, antennin 102, mittauskohteen 103, joka on 25 tässä esimerkissä paperiraina, ja viiran 104. Paperirai-nasta 103 tulee luonnollista mustan kappaleen säteilyä 105 antenniin 102. Myös viirasta 104 tulee säteilyä 107. Samoin viiran 104 alta ja muualta ympäristöstä tulee säteilyä 108 ja 106. Viirasta 107 ja ympäristöstä tuleva sätei-30 ly 106 ja 108 häiritsee paperirainasta 103 tehtävää mittausta. Tämän vuoksi radiometri 101 käsittää suodattimen, jolla mittaustaajuus, taajuudet tai taajuuskaista valitaan niin, että viirasta 107 ja viiran alta tuleva taustasäteily 108 vaimenee oleellisesti pois kulkiessaan läpi paperi-35 rainan 103. Näin mittaustaajuus on edullisesti yli 20 GHz.

9 101751

Tarkemmin taajuus tai taajuudet säädetään tapauskohtaisesti käyttäen esimerkiksi kaavaa (4).

Kuviosta 1 nähdään myös yksi keksinnöllisen menetelmän edullisista piirteistä. Radiometrin 101 takaa vi-5 nosti tuleva säteily ei vaikuta mittaukseen, mikäli antenni 102 asennetaan lähelle rainan 103 pintaa. Antenni 102 on edelleen rakenteeltaan sellainen, että se estää haitallista taustasäteilyä 106 tunkeutumasta antennin vastaanotto-osaan ja edelleen radiometriin 101. Tällöin antenni 10 102 on esimerkiksi torviantenni. Antenni 102 on edullises ti sellainen, että se ottaa vastaan parhaiten keskiosallaan ja antennivahvistus pienenee reunoja kohti. Tällainen ratkaisu vähentää edelleen häiriöitä, koska häiriöt tunkeutuvat todennäköisimmin antenniin 102 juuri reunoilta, 15 jossa niiden vaikutus on tällä tavalla vähäisin. Radiomet-ri 101 kalibroidaan aika ajoin esimerkiksi tuotannon katkosten aikana mittaamalla kullakin antennilla referenssi-näyte. Referenssinäytteenä on edullisesti viira tai kirk-kauslämpötilaltaan kylmä kappale kuten metallipinta tai 20 vastaava. Mittausten välillä radiometri 101 voidaan kytkeä edullisesti mittaamaan lämmitettävää referenssikuormaa, jollainen on esimerkiksi sovitettu grafiittipääte.

Kuviossa 2 esitetään mittaussignaalin amplitudin käyttäytymistä taajuuden ja mittauskohteen paksuuden funk-25 tiona. Kuvio 2 on periaatteellinen eikä siten esitä varsinaista mittaustulosta. Matalilla taajuuksilla amplitudissa näkyy interferenssin aiheuttamaa värähtelyä 202, joka aiheutuu mittauskohteen takaa tulevan säteilyn (esimerkiksi viirasta tuleva säteily, koska mittauskohde näkyy 30 läpi) ja mittauskohteesta (esimerkiksi paperiraina) tulevan säteilyn interferenssistä. Mittaustaajuuden kasvaessa ·' värähtely oleellisesti loppuu ja suurilla taajuuksilla 201 amplitudi pysyy vakaana, koska mittauskohde ei enää läpäise säteilyä. Keksinnöllisessä menetelmässä hyödynnetään 35 nimenomaan taajuutta, taajuuksia tai taajuuskaistaa 201, 10 101751 joilla säteilyn amplitudi pysyy vakaana. Kuviosta 2 nähdään myös, että mitä suurempi mittauskohteen esimerkiksi paperirainan 103 paksuus d on sitä suurempi vaimennus mit-tauskohteella on ja sitä alemmilla taajuuksilla amplitudi 5 käyttäytyy vakaasti. Näin mittaustaajuus tulee valita myös mittauskohteen paksuuden d mukaan.

Sakeutta mittaava keksinnöllinen järjestely käsittää edullisesti ainakin yhden antennin 102. Pyyh-käisymittaus koko rainan 103 leveydeltä voidaan suorittaa 10 joko liikuttamalla yhtä antenni- ja lämpömittariparia mekaanisesti edestakaisin rainan yli tai kuvan 3 mukaisella elektronisella pyyhkäisyllä. Käytettäessä yhtä antennia 102 antenni liikkuu edullisesti mittauskohteen poikki mahdollistaen näin mittauskohteen pinnan sakeusmittauksen ko-15 ko leveydeltään tai ainakin useasta paikasta. Antennin 102 liikkumismahdollisuutta esitetään kuviossa 1 antennin 102 kohdalla olevilla molemmille sivuille osoittavilla nuolilla. Antenni 102 voi tällä tavoin liikkua paperirainan 103 poikki ja mitata paperirainan 103 sakeuspitoisuuden poik-20 kisuunnassa.

Kuviossa 3 esitetään keksinnön edullista toimintamuotoa, jossa antenneja 302 on useita. Tällöin mittaus-kohteen sakeus voidaan mitata koko pinnan alalta useista paikoista liikkumattomilla antenneilla 302. Antennit ovat 25 edullisesti ketjumaisesti siten, että ketju on ainakin suurin piirtein kohtisuorassa kulmassa paperirainan liikesuuntaan nähden. Koska raina voi liikkua esimerkiksi 1.5 km/min, mittaus on tehtävä nopeasti. Antennit 302 on kytketty radiometriin 101 kaapeleilla ja kytkimillä 301, jot-30 ka ovat edullisesti elektronisia kytkimiä kuten PIN-diodi- kytkimiä. Kytkimet 301 kytkevät antennit 302 edullisesti yksitellen radiometriin 101 mittauskohteen 103 sakeuden mittausta varten. Antennit 302 käsittävät edullisesti myös esivahvistimen ja sekoittimen paikallisoskillaattoreineen, 35 joilla mittaussignaalintaajuutta pienennetään. Taajuudel- 11 101751 taan alennettu mittaussignaali on helpompi siirtää radio-metriin 101. Käytettäessä tällaista sekoitinratkaisua kytkimiä 301 ei välttämättä tarvita, koska antennien 302 kytkemistä radiometriin voidaan ohjata esivahvistimella 5 ja/tai sekoittimella. Saavutettava resoluutio rainan leveyssuunnassa riippuu antennien 302 koosta ja lukumäärästä. Käytännössä yhden antennin halkaisija on minimissään noin 2 ... 3 cm ja antennien 302 lukumäärä 100 . . . 500 kpl. Antennien 302 lukumäärään vaikuttaa myös se, että 10 pyyhkäisyn nopeus hidastuu antennien lukumäärän kasvaessa, koska kukin antenni pitää olla kytkettynä vastaanottimeen niin kauan, että riittävä mittaustarkkuus saavutetaan. Mittausjärjestely kalibroidaan aika ajoin esimerkiksi tuotannon katkosten aikana mittaamalla kullakin antennilla 15 referenssinäyte. Referenssinäytteenä on edullisesti viira tai kirkkauslämpötilaltaan kylmä kappale kuten metallipin-ta tai vastaava. Mittausten välillä radiometri 101 voidaan kytkeä edullisesti mittaamaan lämmitettävää referenssi-kuormaa, jollainen on esimerkiksi sovitettu grafiittipää-20 te.

Kuviossa 4 on esitetty radiometrin 101 asennuspaikka paperikoneella. Tämä paperikoneen osa käsittää keksinnöllisessä ratkaisussa tyypillisesti radiometrin 101, perälaatikon 401, ylävirran 402, alaviiran 403, lämpömit-25 tarin 404, puristinosan 405 ja ohjausvälineet 406. Radiometri 101 mittaa paperirainan kosteuspitoisuuden eli sakeuden formerin jälkeen ennen puristinosaa 405 ja/tai puristinosan 405 jälkeen. Mittaus voidaan suorittaa myös kuivauksen jälkeen. Mittaustaajuuksien ennalta määrätty 30 rajataajuus, joka on merkitty kuvioon 2 numerolla 203, on erilainen eri mittauskohdissa. Formerin jälkeen, kun pape-rirainan kosteuspitoisuus on 85 % eli sakeus on 15 %, mittauksen alarajataajuus on noin 20 GHz. Puristinosan 405 jälkeen, kun paperirainan kosteuspitoisuus on noin 50 % 35 eli sakeus on 50 %, mittauksen alarajataajuus on noin 30 - 12 101751 40 GHz. Kuivauksen jälkeen paperin kosteuspitoisuus on alle 10 % eli sakeus on yli 90 % ja alarajamittaustaajuus on luokkaa 100 GHz. Perälaatikosta 401, jolla ohjataan pa-perirainan tasalaatuisuutta ja sakeutta, syötetään noin 1 5 % : n sakeuksinen massa formerin imutelojen väliin. Forme- rilla tarkoitetaan paperikoneen sitä osaa, jossa käytetään sylinterimäisiä, viiraa kannattelevia formeerausteloja. Formerin teloissa on alipaineella toimivia imulaatikoita, joilla kuivataan viiralla olevaa paperirainaa. Formerissa 10 imetään massasta vettä siten, että paperirainan sakeus mittauspaikassa on noin 15 %. Formerin ohjausjärjestelyssä sakeuden mittauksen perusteella ohjausvälineet 406 säätävät imutehoa (SUCK) sopivaksi siten, että sakeus paperi-rainassa saadaan pidettyä halutun suuruisena. Mikäli mit-15 taus toteutetaan pyyhkäisemällä koko rainan leveydeltä, mahdollistetaan myös imun säätäminen koneen poikittais-suunnassa. Myös perälaatikon toimintaa on mahdollista, muttei välttämätöntä ohjata sakeusmittauksen perusteella. Mikroaaltoradiometrin 101 mittauksen tueksi tarvitaan mit-20 tauksessa edullisesti tieto paperin todellisesta fysikaalisesta lämpötilasta, jotta mittauksen lämpötilariippuvuus voitaisiin poistaa. Mittauskohteen lämpötila mitataan helpoimmin mittauskohdetta koskettamatta lämpömittarilla 404, joka on edullisesti elektroninen mittari kuten infra-25 punalämpömittari.

Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukaisen ratkaisun eräs toimintamuoto, jossa mittauskohteena on pinnoi-tusaine kuten paperin pinnoituspasta. Pasta koostuu tavallisesti vedestä, mineraaleista, talkista, kaoliinista, la-30 teksista tai vastaavista aineista eri tavalla yhdistellen.

Mittausjärjestely käsittää radiometrin 101, antennin 102, lämpömittarin 404, telan 501, pinnoituspastaa 502 telan 501 pinnassa, pinnoituspastaa 503 astiassaan ja paperin 504. Mittaus suoritetaan samalla tavalla kuin paperin mit-35 tauskin. Telan 501 pyöriessä sen pinta koskettaa pastaa 13 101751 503, joka tarttuu telan 501 pintaan. Telan 501 pinnassa olevan pastan 502 lähettämää termistä säteilyä 105 mittaa radiometri 101 antennilla 102. Tulos korjataan edullisesti lämpömittarin 404 mittaamalla lämpötilatuloksella ohjaus-5 välineissä (ei esitetty tässä kuviossa).

Kuviossa 6 on esitettynä myös ratkaisu, jossa mitataan pinnoitusainetta. Mittausjärjestely käsittää ra-diometrin 101, antennin 102, lämpömittarin 404 pinnoitus-aineen 602 ja pinnoitettavan kohteen 601. Pinnoitusaineena 10 602 on edullisesti paperin pinnoituspasta ja pinnoitetta vana kohteena on paperi 601. Kun paperi 601 on pinnoitettu pinnoituspastalla 602, pinnoituspastasta 602 lähtevää termistä säteilyä 105 mitataan radiometrillä 101 käyttäen antennia 102. Tulos korjataan lämpömittarin 404 mittaamalla 15 lämpötilatuloksella ohjausvälineissä (ei kuviossa).

Kuviossa 7 esitetään paperirainan mittaustulos. Vaaka-akseli on aika-asteikko ja pystyakseli on lämpötila-asteikko. Mustat nelikulmiot ovat mittauspisteitä. Mit-tauskäyrän tasaisella osalla 71 paperirainan sakeus on 20 pidetty muuttumattomana, jolloin myös mikroaaltoradiomet-rin mittaama kirkkauslämpötila on vakaa. Nousevalla käyrän osalla 72 paperirainasta imetään vettä pois, jolloin kirkkauslämpötila nousee. Kun imemällä ei enää veden määrää voi juurikaan vähentää, mitattu kirkkauslämpötila vakiin-25 tuu alueella 73. Mittaus on suoritettu taajuudella 24 GHz, kuiva-ainepitoisuus alueella 71 on noin 1% ja alueella 73 kuiva-ainepitoisuus on noin 15%. Mittaustulos vastaa hyvin teoreettista arviota, vaikka tarkat numeeriset arvot poikkeavatkin hieman teoreettisesta.

30 Kuten aiemmin todettiin voidaan saavutettava mit- ; tausherkkyys laskea kaavalla (5). Voidaan laskea, että in- ‘ tegrointiajän ja saavutettavan mittausherkkyyden, sakeus- mittaustarkkuuden ja pyyhkäisyajän (100 anturia) välillä on seuraavan taulukon välinen yhteys. Laskennassa on ole-35 tettu kaistaleveydeksi 1 GHz ja vastaanottimen kohinalu- 14 101751 vuksi 5 dB.

5 Ia/s Mh/K_Mt/%_Pa/s 1 0.023 0.02 100 0.5 0.032 0.03 50 0.1 0.069 0.06 10 0.05 0.115 0.11 5 10 0.01 0.230 0.21 1 0.005 0.322 0.30 0.5 0.001 0.690 0.63 0.1 15 Taulukossa Ia/s tarkoittaa integrointiaikaa sekunneissa,

Mh/K tarkoittaa mittausherkkyyttä kelvineinä, Mt/% tarkoittaa mittaustarkkuutta prosentteina ja Pa/s tarkoittaa pyyhkäisyaikaa sekunteina. Mittausherkkyyttä voidaan lisätä integrointiajan lisäämisen sijasta myös leventämällä 20 mittauskaistaleveyttä tai pienentämällä vastaanottimen kohinaa .

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkiin, on selvää, .. ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan 25 muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (28)

101751

1. Mittausmenetelmä erityisesti sakeuden mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään radiometriä (101), 5 johon kuuluu antenni (102, 302), joka on mittauskohteen (103) läheisyydessä ottamassa vastaan luonnollista termistä mikroaaltosäteilyä (105 - 108), ja jolla radiometrillä (101) mitataan mittauskohteen (103) lähettämää mikroaaltosäteilyä (105), jonka voimakkuus riippuu mittauskohteen 10 (103) sakeudesta, tunnettu siitä, että mitataan mittauskohteen (103) sakeus mikroaaltosäteilyn (105) voimakkuuden funktiona käyttäen sellaista mittaustaajuutta tai taajuusaluetta, että mittauskohteen (103) läpi tulevan häiriöllisen säteilyn (107, 108) voimakkuus vaimenee mit-15 tauskohteen (103) läpäistessään mittauksen kannalta epäoleellisen pieneksi, ja käytetään näin mittauskohdetta (103) suodattamaan häiritsevää taustasäteilyä (107, 108) vähemmäksi.

2. Menetelmä formerin ohjaamiseksi, jota menetel-20 mää käytetään paperikoneessa, johon kuuluu perälaatikko (401), formeri, puristinosa (405), viira (104, 402 ja 403), viiralla mittauskohteena (103) oleva paperiraina, jossa menetelmässä mitataan sakeutta paperirainassa, joka tulee paperikoneen perälaatikosta (401) viiralle, etenee 25 viiralla formeriin ja edelleen puristinosaan (405), ja jossa menetelmässä käytetään radiometriä (101), johon kuuluu antenni (102, 302), joka on mittauskohteena (103) olevan paperirainan läheisyydessä ottamassa vastaan luonnollista termistä mikroaaltosäteilyä (105 - 108), ja jolla 30 radiometrillä (101) mitataan mittauskohteena (103) olevan . paperirainan lähettämää mikroaaltosäteilyä (105), jonka voimakkuus riippuu paperirainan sakeudesta, tunnet- t u siitä, että mitataan mittauskohteena (103) olevan paperirai-35 nan sakeus mikroaaltosäteilyn (105) voimakkuuden funktiona 101751 käyttäen sellaista mittaustaajuutta tai taajuusaluetta, että paperirainan läpi tulevan häiriöllisen säteilyn (107, 108. voimakkuus vaimenee paperirainassa mittauksen kannalta epäoleellisen pieneksi, ja käytetään näin mittauskoh-5 teenä (103) olevaa paperirainaa suodattamaan häiritsevää taustasäteilyä (107, 108) vähemmäksi, ja mitattua sakeustulosta käytetään ohjaamaan forme-ria sakeuden korjaamiseksi paperirainassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel-10 mä, tunnettu siitä, että matalimpana mittaustaa- juutena käytetään ennalta määrättyä tai sitä korkeampaa taajuutta (203).

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettäessä menetelmää 15 paperikoneessa, johon kuuluu perälaatikko (401), formeri, puristinosa (405), viira (104, 402 ja 403), viiralla mit-tauskohteena (103) oleva paperiraina, ja menetelmässä mitataan sakeutta paperirainassa, joka tulee paperikoneen perälaatikosta (401) viiralle, etenee viiralla formeriin 20 ja edelleen puristinosaan (405), rainan sakeus mitataan formerin jälkeen ennen puristinosaa (405).

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettäessä menetelmää paperikoneessa, johon kuuluu perälaatikko (401), formeri, 25 puristinosa (405), viira (104, 402 ja 403), viiralla mit-tauskohteena (103) oleva paperiraina, ja menetelmässä mitataan sakeutta paperirainassa, joka tulee paperikoneen perälaatikosta (401) viiralle, etenee viiralla formeriin ja edelleen puristinosaan (405), rainan sakeus mitataan 30 formerin jälkeen tapahtuvan mittauksen lisäksi tai sijasta puristinosan (405) jälkeen.

6. Patenttivaatimuksen 2, 4 tai 5 mukainen mene telmä, tunnettu siitä, että mittauksen kalibrointi suoritetaan mittaamalla viiran (104) säteilyä.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel- 101751 mä, tunnettu siitä, että antenni (102) tai antennit (302) on muotoiltu torvimaiseksi tai vastaavaksi siten, että antennilla (102) tai antenneilla (302) estetään antenniin (102) tai antenneihin (302) tulevaa taustasätei-5 lyä (106).

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että mittaukset suoritetaan yhdellä antennilla (102), joka liikkuu ja mittaa mittaus-kohdetta (103) useista eri kohdista.

9. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että mittaukset suoritetaan useasta paikasta mittauskohdetta (103) usealla antennilla (302), jotka muodostavat mittauskohteen (103) yli olevan ketjun ja jotka kytketään radiometriin (101) vuorotellen 15 mittausta varten.

10. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauskohteen (103) fyysinen lämpötila mitataan yhdestä tai useammasta paikasta mikroaaltosäteilymittauksen lämpötilariippuvuuden poista- 20 miseksi.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila mitataan infrapuna-lämpömittarilla (404).

12. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel- 25 mä, tunnettu siitä, että mittauskohde (103) on pa- periraina.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauskohde (103) on pinnoi-tusaine (502, 602), jonka sakeus mitataan edullisesti pin- 30 noitustelalta (501) tai pinnoitetun kohteen (601) pinnas- ; ta. * 14 . Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaustaajuus valitaan oleellisesti suuremmaksi kuin 20 GHz.

15. Mittausjärjestely erityisesti sakeuden mit- 101751 taamiseksi, joka käsittää radiometrin (101) ja antennin (102) , joka on mittauskohteen (103) läheisyydessä ottamassa vastaan luonnollista termistä mikroaaltosäteilyä (105 -108), ja joka radiometri (101) on sovitettu mittaamaan 5 mittauskohteen (103) lähettämää mikroaaltosäteilyä (105), jonka voimakkuus riippuu mittauskohteen (103) sakeudesta, tunnettu siitä, että mittausjärjestely on sovitettu mittaamaan mittauskohteen (103) sakeus mikroaaltosätei-lyn voimakkuuden funktiona käyttäen sellaista mittaustaa-10 juutta tai mittaustaajuusaluetta, että mittauskohteen (103) läpi tulevan häiriöllisen säteilyn (107, 108) voi makkuus vaimenee mittauksen kannalta epäoleellisen pieneksi, ja näin mittauskohde (103) on sovitettu suodattamaan häiritsevää taustalta tulevaa säteilyä (107 -108) vähem- 15 mäksi.

16. Formerin ohjausjärjestely käytettäväksi paperikoneessa, joka käsittää perälaatikon (401), formerin, puristinosan (405), viiran (104, 402, 403), viiralla olevan paperirainan ja mittausjärjestelyn, joka on sovitettu 20 mittaamaan sakeutta paperirainassa, joka on tullut paperikoneen perälaatikosta (401) viiralle, edennyt viiralla formeriin ja edelleen puristinosaan (405), ja joka mittausjärjestely käsittää radiometrin (101) ja antennin (102) , joka on mittauskohteena (103) olevan paperirainan 25 läheisyydessä ottamassa vastaan luonnollista termistä mik roaaltosäteilyä (105 - 108), ja joka radiometri (101) on sovitettu mittaamaan mittauskohteen lähettämää mikroaaltosäteilyä (105), jonka voimakkuus riippuu mittauskohteen (103) sakeudesta, tunnettu siitä, että 30 mittausjärjestely on sovitettu mittaamaan mit- . tauskohteen (103) sakeus mikroaaltosäteilyn voimakkuuden • funktiona käyttäen sellaista mittaustaajuutta tai mittaus- taajuusaluetta (201), että mittauskohteen (103) läpi tulevan säteilyn (107, 108) voimakkuus vaimenee mittauksen 35 kannalta epäoleellisen pieneksi, ja näin mittauskohde 101751 (103) on sovitettu suodattamaan häiritsevää taustalta tulevaa säteilyä (107, 108) vähemmäksi, ja mittausjärjestely on edelleen sovitettu ohjaamaan formeria paperirainan (103) sakeuden korjaamiseksi.

17. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen jär jestely, tunnettu siitä, että mittauksen matalampana mittaustaajuutena on ennalta määrätty tai sitä korkeampi taajuus (201).

18. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen jär-10 jestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestely on sovitettu käytettäväksi paperikoneessa, joka käsittää pe-rälaatikon (401), formerin, puristinosan (405), viiran (104, 402, 403) ja viiralla olevan paperirainan, ja mittausjärjestely on sovitettu mittaamaan sakeutta paperi-15 rainassa, joka on tullut paperikoneen perälaatikosta (401) viiralle, edennyt viiralla formeriin ja edelleen puris-tinosaan (405), jolloin mittausjärjestely on sovitettu mittaamaan rainan sakeus formerin jälkeen ennen puris-tinosaa (405).

19. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen jär jestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestely on sovitettu käytettäväksi paperikoneessa, joka käsittää perälaatikon (401), formerin, puristinosan (405), viiran (104, 402, 403) ja viiralla olevan paperirainan, ja mit-25 tausjärjestely on sovitettu mittaamaan sakeutta paperi-rainassa, joka on tullut paperikoneen perälaatikosta (401) viiralle, edennyt viiralla formeriin ja edelleen puris-tinosaan (405), jolloin mittausjärjestely on sovitettu mittaamaan paperirainan sakeus formerin jälkeen tapahtuvan 30 mittauksen lisäksi tai sijasta puristinosan (405) jälkeen.

20. Patenttivaatimuksen 16, 18 tai 19 mukainen • järjestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestely on sovitettu kalibroitavaksi mittaamalla viiran (104) säteilyä .

21. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen jär- 101751 jestely, tunnettu siitä, että antenni (102) tai antennit (302) on muotoiltu torvimaiseksi tai vastaavaksi siten, että antennilla (102) tai antenneilla (302) estetään antenniin (102) tai antenneihin (302) tulevaa tausta-5 säteilyä (107, 108).

22. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestely on sovitettu suorittamaan mittaukset yhdellä antennilla (102), joka on sovitettu liikkumaan ja mittaamaan mittaus- 10 kohdetta (103) eri paikoista.

23. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen jär jestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestely on sovitettu suorittamaan mittaukset mittauskohteesta useasta paikasta usealla antennilla (302), jotka ovat mittauskoh- 15 teen (103) poikkisuuntaisena ketjuna ja mittausjärjestely käsittää kytkimet (301), jotka on sovitettu kytkemään antennit (302) radiometriin (101) vuorotellen.

24. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestely 20 käsittää lämpömittarin (404) mittauskohteen (103) fyysinen lämpötilan mittaamiseksi ja mikroaaltosäteilymittauksen lämpötilariippuvuuden poistamiseksi.

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestely on sovitet- 25 tu mittaamaan lämpötilan infrapunalämpömittarilla (404).

26. Patenttivaatimuksen 15 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mittauskohde (103) on paperi-raina.

27. Patenttivaatimuksen 15 mukainen järjestely, 30 tunnettu siitä, että mittauskohde (103) on pinnoi- . tusaine (502, 602), ja mittausjärjestely on sovitettu mit- • taamaan sakeus edullisesti pinnoitustelalta (501) tai pin noitetun kohteen (601) pinnalta.

28. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen jär- 35 jestely, tunnettu siitä, että mittaustaajuus on oleellisesti suurempi kuin 20 GHz. 101751