FI20205320A1 - Menetelmä ja laite kuidun huokoisuuden määrittämiseksi kuitususpensiossa sekä säätöjärjestelmä - Google Patents

Abstract

Keksintö koskee menetelmää kuidun huokoisuuden määrittämiseksi kuitususpensiossa, jossa otetaan näyte kuitususpensiosta ja kuidun huokoisuuden määritys määrittämällä kuidun sisäisen veden suhde kuidun ulkoiseen sitoutuneeseen veteen näytteelle suoritetaan online-mittauksena NMR-spektroskooppia käyttäen seuraavina vaiheina: - muodostetaan magneettikenttä (E) näytteessä olevan veden protonien virittämiseksi, - viritetään näytteessä olevan kuitususpension vesimolekyylit (v) kelan avulla aikaansaadun taajuuspulssin avulla, - mitataan vesimolekyyleistä (v) takaisin kelaan (22) palaavan taajuuspulssin paluusignaali, - määritetään paluusignaalista protonin relaksaatioaika ja paluusignaalin amplitudi, - määritetään kuitususpension kuitujen huokoisuus paluusignaalin amplitudiin ja relaksaatioaikaan perustuen. Keksinnön kohteena on myös laite kuitususpension kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi sekä säätöjärjestelmä kuiturainakoneen yhteydessä.

Description

MENETELMÄ JA LAITE KUIDUN HUOKOISUUDEN MÄÄRITTÄMISEKSI KUI-

TUSUSPENSIOSSA SEKÄ SÄÄTÖJÄRJESTELMÄ Keksinnön kohteena on menetelmä kuidun huokoisuuden määrittä- miseksi kuitususpensiossa, jossa otetaan näyte kuitususpensiosta ja määritetään kuidun huokoisuus määrittämällä kuidun sisäisen veden suhde kuidun ulkoiseen sitoutuneeseen veteen. Keksinnön kohteena on myös laite kuitususpension kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi sekä säätöjärjestelmä kuiturai- nakoneen yhteydessä. Paperi- ja kartonkituotteiden valmistuksessa olennaisena kuitumateriaalin mittarina on yksittäisien kuitujen huokoisuus, jota säädetään pääasiassa jauhatuksessa. Huokoisuus vaikuttaa paperin valmistuksessa paperikoneen ajettavuuteen erityisesti vedenpoiston tehokkuuden kautta, mutta vaikuttaa myös muihin paperin ominaisuuksiin. Massan jauhatusaste vaikuttaa hyvin voimakkaasti lopputuotteen ominaisuuksiin, kuten esimerkiksi jauhatusta lisäämällä voidaan kasvattaa tuotteen vetolujuutta. Toisaalta massan jauhatus kuluttaa energiaa ja huonontaa vedenpoistoa, jolloin paperi- koneen suurin mahdollinen tuotantonopeus on pienempi pienentäen o tuotantoa. S 25 se Huokoisuus on myös merkittävä kuidun ominaisuus sellun val- = mistuksessa. x a o Perinteisesti kuitususpension kuitujen huokoisuutta on arvioitu & 30 WRV-luvun (Water Retension Value) määrityksen avulla, joka N suoritetaan laboratoriomittauksena. WRV-luvun määritys labo- N ratoriossa käsittää vaiheet, joissa märälle kuitususpensiolle suoritetaan ensimmäinen punnitus, jonka jälkeen vapaa vesi puristetaan pois ja näyte sentrifugoidaan kuidun ulkoisen sitoutuneen veden poistamiseksi. Tämän jälkeen suoritetaan toinen punnitus. Ensimmäisen ja toisen punnituksen erotuksena saadaan määritettyä kuitususpensiosta poistuneen vapaan veden määrä. Määritystä jatketaan vielä kuivattamalla näyte kuidun sisäisen sitoutuneen veden poistamiseksi, jonka jälkeen suoritetaan kolmas punnitus. Toisen ja kolmannen punnituksen erotuksen perusteella saadaan määritettyä näytteeseen sitou- tuneen veden määrä. Sitoutuneen ja vapaan veden suhteella voidaan arvioida jauhatuksen ominaisuuksia, onko jauhatus pääosin kuituja katkovaa, kuituja ulkoisesti fibrilloivaa vai kuituja sisäisesti fibrilloivaa. Perinteisen WRV-luvun määrityksen ongelmana on kuitenkin sen hitaus ja työintensiivisyys. Useiden punnituksien ja kuiva- tusvaiheiden yhteenlaskettu kesto on useita tunteja ja määritys vaatii useita käsin suoritettavia työvaiheita. Näin mittaus- tuloksien hyväksikäyttö prosessin säätöön on hidasta. Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada tekniikan menetelmä ja laite, jolla kuidun huokoisuuden määrittäminen kuitususpensiosta voidaan tehdä automaattisesti tekniikan tason laitteita ja menetelmiä nopeammin. Tämän keksinnön tunnusomaiset piirteet menetelmän osalta ilmenevät oheisesta patenttivaatimuksesta 1 ja O laitteen osalta patenttivaatimuksesta 8. Lisäksi keksinnön O 25 tarkoituksena on aikaansaada säätöjärjestelmä, jolla jauhatusta se tai kuiturainakonetta voidaan säätää tekniikan tason säätö- = järjestelmiä nopeammin kuidun huokoisuuteen perustuen. Tämän = keksinnön tunnusomaiset piirteet ilmenevät oheisesta patent- - tivaatimuksesta 11. > 30

S N Keksinnön mukaisen menetelmän tarkoitus voidaan saavuttaa N menetelmällä kuidun huokoisuuden määrittämiseksi kuitususpen- siossa, jossa otetaan näyte kuitususpensiosta ja määritetään kuidun huokoisuus määrittämällä kuidun sisäisen veden suhde kuidun ulkoiseen sitoutuneeseen veteen ja kuidun huokoisuus online-mittauksena NMR-spektroskooppia käyttäen seuraavina vaiheina, joissa muodostetaan magneettikenttä näytteessä olevan veden protonien virittämiseksi ja viritetään näytteessä olevan kuitususpension vesimolekyylit kelan avulla aikaansaadun taajuuspulssin avulla. Lisäksi menetelmässä mitataan vesimo- lekyyleistä takaisin kelaan palaavan taajuuspulssin paluusig- naali, määritetään paluusignaalista protonin relaksaatioaika ja paluusignaalin amplitudi, ja määritetään kuitususpension kuitujen huokoisuus paluusignaalin amplitudiin ja relaksaa- tioaikaan perustuen. Keksinnön mukaisella menetelmällä kuidun huokoisuus on mah- dollista määrittää online-mittauksena automaattisesti ja lähes reaaliajassa ilman aikaa vieviä ja työläitä laboratoriomit- tauksia. NMR-spektroskopia on erittäin nopea suorittaa ja koko määrityksen kesto on vain sekunteja. Yllättäen on havaittu, että huokoisuus voidaan luotettavasti määrittää NMR-spektroskopian amplitudiin ja relaksaatioaikaan perustuen online-mittauksena.

Edullisesti kuitususpension kuitujen huokoisuus määritetään käyttäen paluusignaalin ainakin yhdestä exponenttisignaalista koostuvaa paluusignaalin yleistä mallia 4 N Exp = (>, ArezplRr +t) + C N , — . S 25 relaksaatioajan määrittämiseksi, missä Exp on paluusignaali, Ax © paluusignaalin amplitudi, Rx relaksaationopeus ja t signaalin = mittausaika ja C empiirinen vakio. Tällaisen laskentamallin on S todettu korreloivat tehokkaasti laboratoriomittauksena suori- D tetun WRV-luvun kanssa. S 30

N Mallissa käytetään relaksaationopeutta eli Rx jonka suhde relaksaatioaikaan T on T = 1/R.

Ensimmäisen sovellusmuodon mukaan kuitususpension kuitujen huokoisuus määritetään käyttäen ainoastaan yhdestä exponent- tisignaalista koostuvaa mallia Exp = A*exp (R2*t) relaksaatioajan määrittämiseksi ja lineaarista kaavaa WRVrnmz = kk* [R2—a* (C — Cres) ] + C, kuidun huokoisuuden määrittämiseksi WRV-arvona, missä kk on lineaarisen kaavan kulmakerroin, a empiirinen vakio, c näytteen sakeus, Crer referenssisakeus ja C toinen empiirinen vakio.

Näin voidaan yksinkertaisen mallin avulla suorittaa WRV-luvun määritys NMR-mittauksesta saatavien suureiden avulla.

Empiirisen vakion a arvo voi olla välillä 0,17 — 0,30 1/(%*s), edullisesti 0,18 — 0,20 1/(%*s) ja toisen empiirisen vakion C arvo välilläl1,0-2,51/s, edullisesti 1,4 - 2,0 1/s.

Tällöin keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan riittävän hyvä tarkkuus, jotta mittaustuloksia voidaan käyttää esimerkiksi jauhatuksen säätöön.

Toisen sovellusmuodon mukaan kuitususpension kuitujen huokoisuus — määritetään käyttäen kahdesta exponenttisignaalista koostuvalla mallilla Exp = Ar*exp(Ror*t)+ Ag*exp(Rox*t) + D relaksaatioajan määrittämiseksi, missä D on kolmas empiirinen vakio.

Tällaista kahden eksponenttisignaalin mallia käytettäessä saadaan aikaan o niin sanottu fysikaalinen malli, joka korreloi erityisen hyvin O 25 kuidun huokoisuuden kanssa.

Fysikaalisessa mallissa yksi se eksponenttisignaali on peräisin kuidun sisäisestä vedestä ja = toinen kuidun ulkoisesta vedestä. x a o Edullisesti kuidun huokoisuus määritetään WRV-arvona kahden & 30 eksponenttisignaalin mallissa seuraavina vaiheina, joissa N lasketaan amplitudien Ar ja Ag perusteella kuidun sisäisen veden N suhteellinen määrä Ar re1 ja ulkoisen veden suhteellinen määrä Ar rel ja lasketaan sitoutuneen veden määrä kuidussa Wig kuidun sisäisen veden suhteellisen määrän Ar re1 ja sakeuden c perusteella.

Lisäksi menetelmässä lasketaan kuidun sisään sitoutuneen veden suh- teellinen osuus pr kuidussa täysin vapaan veden relaksaa- tionopeuden Ra, täysin sitoutuneen relaksaationopeuden Roa ja kuidun sisäisen sitoutuneen veden Ra relaksaationopeuden 5 perusteella, lasketaan kuidun ulkopuolelle sitoutuneen veden suhteellinen osuus pee kuidussa täysin vapaan veden relaksaa- tionopeuden Ra, täysin sitoutuneen relaksaationopeuden Roa ja kuidun ulkoisen sitoutuneen veden Ra relaksaationopeuden perusteella ja lasketaan sitoutuneen veden määrä kuidussa Wm kuidun sisäisen veden suhteellisen määrän Ar re1, kuidun sisään sitoutuneen veden suhteellisen osuuden pms ja sakeuden c perusteella ja lasketaan sitoutuneen veden määrä kuidun ulkopuolella Wes kuidun ulkoisen veden suhteellisen määrän AF rel, kuidun ulkopuolelle sitoutuneen veden suhteellisen osuuden pre ja sakeuden c perusteella. Edelleen menetelmässä lasketaan WRV-arvo kuidussa olevan sitoutuneen veden määrän Ws ja kuidun ulko- puolella olevan sitoutuneen veden määrän Wig summana. Välivaiheina saatuja tietoja kuidun sisäisen sitoutuneen ja ulkoisen sitoutuneen veden määristä voidaan käyttää hyväksi pääteltäessä jauhatuksen toimintaa. Kuidun sisäisen veden määrä korreloi sitä, kuinka jauhatus on saanut aikaan kuidun sisäistä fibrillaatiota, kun taas ulkoisen sitoutuneen veden määrä puolestaan korreloi sitä, kuinka jauhatus on saanut aikaan kuidun ulkoista fib- o rilloitumista. S 25

N se Kolmannen empiirisen vakion D arvo voi välillä 0 - 1. Tällaisilla = lukuarvoilla 2-eksponenttimallilla on todettu saavutettavan hyvä = tarkkuus. a

S 2 30 Vaihtoehtoisesti yleisen mallin yhtä tai kahta eksponenttia N käyttävän mallin sijaan voidaan ajatella, että malli voi sisältää N jopa kolme tai neljä eksponenttia, mikäli tällainen laskentatapa korreloi hyvin todellisuuden kanssa.

Edullisesti menetelmässä näyte pysäytetään NMR-spektroskopian mittausta varten. Tällöin mittauksen tarkkuutta voidaan parantaa, kun kaikkien näytteessä olevien protonien takaisin lähettämä taajuuspulssi saadaan mitattua.

Keksinnön mukaisen laitteen tarkoitus voidaan saavuttaa laitteella kuitususpension kuitujen huokoisuuden määrittä- miseksi, johon kuuluu laitteisto huokoisuuden määrittämiseksi näytteen perusteella käsittäen näytekanavaan, tietokoneen ja ohjelmalliset välineet sekä liitosvälineet laitteiston liit- tämiseksi jauhimen yhteyteen joko suoraan kuitususpension virtauskanavaan tai sivuvirtauskanavaan, joka sivuvirtauskanava on sovitettu ohjaamaan osan jauhimelta tulevasta kuitususpen- siovirtauksesta erilliseksi näytteeksi. Laite on sovitettu kytkettäväksi jauhimen yhteyteen kuitujen huokoisuuden mää- rittämiseksi online-mittauksena ja laitteisto huokoisuuden määrittämiseksi on time domain NMR-spektroskooppi. NMR-spektroskooppiin kuuluu ainakin yksi kela sovitettuna näytekanavaan ympärille virittämään näytteessä olevan kui- tususpension veden protonit taajuuspulssien avulla, magneetti sovitettuna näytekanavaan ympärille magneettikentän muodosta- miseksi näytekanavaan, virtalähde ohjaimineen yhteydessä kelaan taajuuspulssien muodostamiseksi ja mittausvälineet kelaan O protoneista takaisin palaavan taajuuspulssin muodostaman virran O 25 voimakkuuden mittaamiseksi paluusignaalin muodostamiseksi. se Tietokone on varustettu sanotuilla ohjelmallisilla välineillä = näytteiden huokoisuuden määrittämiseksi paluusignaalin perus- = teella seuraavina vaiheina, ja ohjelmalliset välineet ovat > sovitettu määrittämään paluusignaalista protonin relaksaatio- & 30 aika ja paluusignaalin amplitudi ja määrittämään kuitususpension N kuitujen huokoisuus relaksaatioajan ja amplitudin perusteella.

N Keksinnön mukaisella laitteella huokoisuuden määritys voidaan suorittaa online-mittauksena sijoittamalla NMR-spektroskooppi kuitususpension virtauskanavan yhteyteen ja ohjaamalla vir- tauskanavassa kulkevasta kuitususpensiosta NMR-spektroskoopin lävitse. Tällainen laite on erittäin nopea käyttää eikä vaadi mittauksen aikana käyttäjän manuaalisia työvaiheita. Time domain spektroskopian avulla toteutettuna laite voi olla rakenteeltaan varsin yksinkertainen ja edullinen toteuttaa. Edullisesti ohjelmalliset välineet ovat sovitettu määrittämään kuitususpension kuitujen huokoisuus käyttäen paluusignaalin ainakin yhdestä exponenttisignaalista koostuvaa paluusignaalin yleistä mallia 4 Erp = > Agexp(Rp *t)) + C 1 relaksaatioajan määrittämiseksi, missä Exp on paluusignaali, A paluusignaalin amplitudi, Rx relaksaationopeus ja t signaalin mittausaika. Edullisesti liitosvälineisiin kuuluu sanottu sivuvirtauskanava, johon sanottu laitteisto on asennettu. Tällöin koko sivuvir- tauskanavan kuitususpensio voidaan ohjata NMR-spektroskoopin lävitse eikä näytteenottoa tarvitse järjestää virtauskanavan sisään, missä se olisi helposti alttiina kuitususpension kasaantumiselle ja tukkeutumiselle.

S N Erään sovellusmuodon mukaan laitteeseen kuuluu S 25 NMR-spektroskoopin jälkeen sivuvirtauskanavaan sijoitettu n pumppu näytteen imemiseksi virtauskanavasta sivuvirtauskanavaan z ja NMR-spektroskoopille. Pumpun käytöllä voidaan varmistaa S kuitususpension virtaus NMR-spektroskoopille ja mittauksen D jälkeen sen lävitse jopa tilanteissa, joissa massan sakeus on O 30 suurempi kuin 1 %.

Keksinnön mukaisen säätöjärjestelmän tarkoitus voidaan saavuttaa säätöjärjestelmällä kuiturainakoneen yhteydessä, johon kuuluu jonkin edellä esitetyn sovellusmuodon mukainen laite kui- tususpension yksittäisien kuitujen huokoisuuden mittaamiseksi, laskentayksikkö säätöparametrien laskemiseksi mittausyksikön avulla mitattujen kuidun huokoisuuden ja valitun tavoitteen perusteella ja tiedonsiirtovälineet säätöparametrien siirtä- miseksi Jlaskentayksikölle jauhimelle jauhimen säätämiseksi tavoitteen saavuttamiseksi.

Keksinnön mukaista laitetta käytettäessä keksinnön mukainen säätöjärjestelmä voi reagoida nopeasti huokoisuuden mittauksesta saatuihin tuloksiin säätäen jauhimen toimintaa siten, että jauhetun kuitususpension ominaisuudet ovat optimaalinen kompromissi kuiturainakoneen ajettavuuden ja lopputuotteen ominaisuuksien kesken.

Keksinnön mukaisen säätöjärjestelmän vaste on hyvin nopea ja näin jauhatus saadaan nopeasti säädettyä halutulle tasolle, mikä pienentää ajettavuusongelmia kuiturainakoneella ja toisaalta nopeuttaa asetettuihin tuotteen laatutavoitteiden saavuttamista.

Näin ollen rejektiin menevän tuotannon osuus pienentyy ja tuotannon kokonaistehokkuus kasvaa.

Erään sovellusmuodon mukaan säätöjärjestelmään kuuluu kaksi sivuvirtauskanavaa näytteen ottamiseksi sekä ennen että jälkeen O jauhinta.

Näin voidaan suorittaa vertailua jauhatuksen vaiku- O 25 tuksesta kuituihin tarkastelemalla kuidun huokoisuutta ennen ja g jälkeen jauhinta. ™ = Edullisesti laskentayksikkö on sovitettu laskemaan ennen ja > jälkeen jauhinta otetuista näytteistä kuitujen huokoisuuden ja & 30 näiden vertailuarvon, ja säätämään jauhinta tai kuiturainako- N netta vertailuarvon perusteella.

Tällöin jauhimen tai kuitu- N rainakoneen toimintaa voidaan saada muutoksia hyvin nopeasti.

Erään sovellusmuodon mukaan säätöjärjestelmään kuuluu ensim- mäinen venttiili ja kolmas venttiili sovitettuna sivuvirtaus- kanaviin näytteen pysäyttämiseksi mittauksen ajaksi. Tällöin mittaus on luotettavampaa, kun tiedetään, että jokainen viritetty protoni myös luovuttaa energiansa takaisin kelalle, jolloin se voidaan mitata. Keksinnön mukainen menetelmä, laite ja = säätöjärjestelmä ratkaisevat huokoisuuden mittaukseen liittyvän hitauden ongelman ja tarjoavat ratkaisun, jolla jauhimen toimintaa voidaan säätää nopeasti. Vaikka kuituun sitoutuneen ja vapaan veden suhdetta on pystytty määrittämään myös hakijan omassa julkaisussa WO 2017/220859 Al, jossa time domain NMR-spektroskopia käyttäen määritetään kuitususpension jauhatusastetta, ei kyseistä menetelmää ja järjestelmää ole kuitenkaan voinut käyttää huokoisuuden määrittämiseen puutteellisen laskennan vuoksi. Pelkän sitoutuneen ja vapaan veden suhteen sijaan huokoisuuden määrittämiseen tarvitaan edullisesti myös tieto sitoutuneen ja vapaan veden määristä. Näin ollen kyseinen julkaisu ei ole esittänyt menetelmää tai ratkaisua huokoisuuden mittaukseen liittyviin ongelmiin. Toistaiseksi ainoa käytetty tapa huo- koisuuden mittaamiseksi luotettavasti on ollut perinteinen WRV-luvun laboratoriomittaus.

S S 25 Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti viittaamalla se oheisiin eräitä keksinnön sovelluksia kuvaaviin piirroksiin, = joissa x a o Kuva 1 esittää periaatekuvan veden sijainnista ja & 30 liikkeistä kuidun yhteydessä, N Kuva 2a esittää keksinnön mukaisen järjestelmän ensim- N mäisen sovellusmuodon mukaisen sijoituksen prosessissa,

Kuva 2b esittää keksinnön mukaisen järjestelmän toisen sovellusmuodon mukaisen sijoituksen prosessissa, Kuva 3 esittää keksinnön mukaisen järjestelmän peri- aatteellisen kuvauksen, Kuva 4 esittää keksinnön mukaista laitetta poikki- leikattuna, Kuva 5 esittää keksinnön mukaisen menetelmän vaiheita lohkokaaviona, Kuva 6 esittää keksinnön mukaisen säätöjärjestelmän rakennetta periaatekuvana.

Kuvassa 1 on esitetty periaatteellinen kuva siitä, miten vesi sijaitsee kuidun yhteydessä.

Tunnetusti kuitu sisältää sisäi- sesti sitoutunutta vettä pr: ja kuidun sisäisesti vapaata vettä prz.

Vesimolekyylit voivat vaihtaa paikkaa kuidun sisäisesti sitoutuen vapaasta vedestä sitoutuneeksi vedeksi tai vapautuen sitoutuneesta vedestä vapaaksi vedeksi fysikaalisista ilmiöistä tai kemiallisista reaktioista johtuen varsin nopeasti.

Vas- taavasti kuidun ulkopuolella kuidun pintaan on sitoutunut vettä pee ja myös vapaata vettä pre.

Myös kuidun ulkopuolella siirtymä sitoutuneesta vedestä vapaaksi vedeksi ja päinvastoin voi tapahtua nopeasti.

Sen sijaan siirtymä kuidun sisäisestä vedestä ulkoiseksi vedeksi on todettu olevan hidasta, johtuen kuidun O sekundääriseinän rakenteesta.

Kuidun sisäisen vapaan ja O 25 sitoutuneen veden suhteellisien osuuksien summa per + pri = 1 ja se ulkoisen vapaan ja sitoutuneen veden suhteellisien osuuksien = yhteenlaskettu summa per + pee = 1. x a o Kuvien 2a ja 2b mukaisesti keksinnön mukainen laite 10 on & 30 sovitettu käytettäväksi jauhimen 100 yhteydessä.

Laite 10 voi N olla kuvan la mukaisesti sijoitettu siten, että jauhimelle 100 N menevästä kuitususpension virtauskanavan 101 virtauksesta poikkeutetaan pieni sivuvirtaus sivuvirtauskanavaan 102, joka on sijoitettu kuvan la mukaisesti jauhimen 100 jälkeen, ja joka johtaa osan kuitususpensiovirtauksesta keksinnön mukaiselle laitteelle 10. Laite 10 on edullisesti yhdistetty sivuvir- tauskanavaan 102, joka voi olla jo jokin olemassa oleva virtauskanava jauhimen yhteydessä tai tätä tarkoitusta varten asennettu osa keksinnön mukaista järjestelmää. Sivuvirtauskanavassa 102 on edullisesti näytteenottoa varten ensimmäinen venttiili 16, jonka avulla voidaan säätää laitteelle menevän kuitususpension määrää ja virtausnopeutta, ja toinen 10 venttiili 17, jolla näyte voidaan pysäyttää laitteeseen 10 mittauksen ajaksi. Kuvan 2b mukaisesti laitteelle 10 voidaan johtaa kuitususpensiovirtausta myös kahden sivuvirtauskanavan 102 kautta. Yksi sivuvirtauskanava 102 on edullisesti vir- tauskanava, jonka avulla ohjataan kuitususpensiovirtausta ennen jauhinta 100 yhden ensimmäisen venttiilin 16 kautta laitteelle

10. Toinen sivuvirtauskanava 102 on edullisesti virtauskanava, jonka avulla ohjataan kuitususpensiovirtausta jauhimen 100 jälkeen toisen venttiilin 15 kautta laitteelle 10. Näin voidaan suorittaa vertaavia mittauksia sekä jauhimelle menevälle kuitususpensiolle että jauhimelta poistuvalle, jo jauhatetulle kuitususpensiolle. Kuitususpensiosta laitteelle ohjattavan näytteen koko voi olla jopa niin pieni kuin 1 — 10 cm3, jolloin laitteiston mittakaava on myös varsin pieni. Tällainen näyte on O kuitenkin riittävä kuitujen huokoisuuden määrittämiseen. S 25 se Kuvien 2a — 4 mukaisesti osa kuitususpensiovirtauksesta voidaan = keksinnön mukaisessa menetelmässä ohjata online-mittausta varten = sivureitille, jossa mittaus suoritetaan keksinnön mukaista > laitetta 10 käyttäen. Ensimmäisen venttiilin 16 avulla ohjataan & 30 ndytteenotto kuitususpensiovirtauksesta 14. Sivuvirtauskanavan N 102 yhteyteen on sovitettu keksinnön mukainen laite 10, joka N käsittää liitosvälineet 13 ja laitteiston 18 kuitususpension kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi näytteen perusteella, joka laitteisto 18 on time domain NMR-spektroskooppi 20. Liitosvä-

lineet 13 voivat olla liitännät, joiden avulla NMR-spektroskoopin 20 näytekanava 12 yhdistetään sivuvirtauskanavaan 102 siten, että näytekanava 12 ja sivuvirtauskanava 102 muodostavat kuitusus- pensiolle yhtenäisen kulkureitin NMR-spektroskoopille 20 ja sen lävitse.

Tarkemmin sanottuna keksinnön mukaisen laitteen 10 NMR-spektroskooppiin 20 kuuluu näytekanava 12, ainakin yksi kela 22 kuitususpensiovirtauksessa olevien kuitujen vapaan ja sitoutuneen veden protonien p virittämiseksi sovitettuna näytekanavan 12 ympärille kuvan 3 mukaisesti.

NMR-spektroskooppiin 20 kuuluu myös magneetti 24 sovitettuna näytekanavan 12 ympärille magneettikentän E muodostamiseksi näytekanavaan 12. Edullisesti magneetti 24 on sovitettu myös kelan 22 ympärille näytekanavan 12 säteen suunnassa kelan 22 päälle.

Magneetin 24 muodostama magneettikenttä E on edullisesti mahdollisimman homogeeninen ja staattinen magneettikenttä, jonka lävitse kuitususpensiovirtaus 14 kulkee näytekanavan 12 sisällä.

Magneettikenttä E on esitetty kuvassa näytekanavan poikki- suuntaisilla viivoituksilla.

Magneettikentän suunta on edul- lisesti poikittainen näytekanavan pituussuunnan suhteen.

Magneetti on edullisesti kestomagneetti, joka voidaan toteuttaa ilman erillistä käyttövoimaa toimiakseen.

Kestomagneetti luo O itsessään staattisen permanenttimagneettikentän.

Vaihtoehtoi- O 25 sesti magneetti voi olla myös sähkömagneetti, jonka magneet- se tikenttä saadaan aikaan sähkövirran avulla. ™ = Lisäksi NMR-spektroskooppiin 20 kuuluu kuvan 3 mukaisesti > virtalähde 26 yhteydessä kelaan 22 taajuuspulssien muodosta- & 30 miseksi, mittausvälineet 28 kelaan 22 protoneista p takaisin N palaavan taajuuspulssin muodostaman jännitteen voimakkuuden N mittaamiseksi paluusignaalin muodostamiseksi ja ohjelmalliset välineet 30 näytteiden kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi paluusignaalin perusteella ja ensimmäisen venttiilin 16 ohjaamiseksi näytteiden ottoa varten. Virtalähteen 26 avulla kelaan 22 toimitetaan taajuuspulssi, joka virittää kelan 22 sisällä kulkevat sitoutuneen ja vapaan veden protonit p ylempään energiatilaan (spin) protonien absorboidessa taajuuspulssin.

Tämä energiatila purkautuu nopeasti (millisekunneissa), jolloin protoni p luovuttaa eli emittoi energiaa ympäristöönsä, joka aiheuttaa jälleen kelassa 22 jännitteen eli paluusignaalin, jonka amplitudi voidaan mitata mittausvälineiden 28 avulla.

Lisäksi laitteen 10 laitteistoon 18 kuuluu tietokone 25 varustettuna ohjelmallisilla välineillä näytteiden kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi paluusignaalin perusteella määrittämällä paluusignaalista protonin relaksaatiocajan ja paluusignaalin amplitudin sekä kuitususpension kuitujen huokoisuuden relaksaatioajan ja amplitudin perusteella. Edullisesti magneetti 24, kela 22 ja näytekanava 12 ovat koteloitu kuvan 3 mukaisen kotelorakenteen 32 avulla. Edullisesti kotelorakenne on metallia, jolloin se estää magneettikentän leviämisen ympäristöön ja toisaalta laitteen ulkopuolisten häiriöiden pääsyn laitteen magneettikenttään. Näin keksinnön mukainen laite saa aikaan suljetun magneettikentän ja on siten helposti käytettävissä tehdasolosuhteissa. Periaatteessa edellä O mainitut NMR-spektroskoopin 20 komponentit voivat olla samassa O 25 kotelorakenteessa, mutta edullisesti kotelorakenteita on kaksi. se Yhdessä kotelorakenteessa on mittausvälineet 28, tietokone 25 ja = virtalähde 26, kun taas toisessa kotelorakenteessa on magneetti = 24 ja kela 22. Näin estetään herkkien elektronisten osien > vahingoittuminen mahdollisessa vettä sisältävän kuitususpension & 30 vuototapauksissa.

O

S Relaksaatioaika korreloi kuitususpension sisältämien kuitujen vapaan veden ja sitoutuneen veden suhdetta, joka muuttuu jauhatuksessa hienoaineen irrotessa kuitujen pinnassa ja kuitujen fibrilloituessa. Fibrillaation lisääntyessä relak- saatioaika T2 lyhenee. Niin sanottua CPMG (Carr-Parcell-Meiboom-Gill) -pulssisarjaa, joka sisältää yhden 90° pulssin ja useita 180° pulsseja, voidaan käyttää spin-spin-relaksaatioajan T2 määritykseen. Pulssisarjan kaikujen amplitudit vaimenevat oheisen yhtälön mukaisesti a(t) = ao exp(-t/T2), missä ao on amplitudi ajanhetkellä t = Os ja T2 = spin-spin relaksaatioaika. Parametrien a, ja T2 määritys voidaan tehdä sovittamalla yhtälö kokeelliseen signaaliin.

Näytekanavan halkaisija voi olla vähintään 10 mm, edullisesti 10 - 20 mm, jolloin kuitususpensio pääsee virtaamaan näytekanavassa ongelmitta. Kuitususpensio voi olla kuiva-ainepitoisuudeltaan yleisesti välillä 0,5 - 4,0 painoprosenttia, jolloin se säilyy pumpattavana. Suuremman kuiva-ainepitoisuuden kuitususpensiot voivat vaatia liikkuakseen suuremman paineen näytekanavassa, mutta jauhimen jälkeen sijoitettuna näyte otetaan kuitusus- pensiovirtauksesta, jossa paine on yleensä riittävä. Edullisesti sivuvirtauskanavassa käytetään myös erillistä pumppua kui- tususpension siirtämiseksi eteenpäin. Edellä esitetty pieni O näytekanavan halkaisija mahdollistaa myös pienemmän kelan O 25 käytön. Tällöin edullisesti näytekanavan päällä olevan kelan se päälle tulevan magneetin keskireikä voi olla halkaisijaltaan = pienempi, vain noin 30 — 40 mm. Magneetin valmistuskustannukset = ovat yleisesti sitä alhaisemmat, mitä pienempi reikä magneettiin - joudutaan valmistamaan.

3 30 N Keksinnön mukainen laite voidaan toteuttaa yhtä kelaa käyttäen N tai kahden kelan avulla. Yhtä kelaa käytettäessä sama kela lähettää taajuuspulssin ja myös vastaanottaa sen. Kahta kelaa käytettäessä yksi kela voi lähettää taajuuspulssin ja toinen vastaanottaa sen. Yhden kelan käyttö on mahdollista, jos näyte virtaa niin hitaasti, että samat protonit, jotka altistuvat taajuuspulssille, ehtivät myös lähettää paluusignaalin kelan alueella. Vaihtoehtoisesti laitteeseen voi kuulua kaksi venttiiliä, joilla näyte pysäytetään hetkeksi kelan ja magneetin kohdalle. Kahden kelan käyttö puolestaan mahdollistaa huokoi- suuden määrityksen liikkuvasta virtauksesta oikein säädettynä. laitteessa käytettävä kela tai toiselta nimeltään käämi on mitoitettu sähköisesti siten, että valitulla virtalähteellä sillä saadaan tuotettua haluttu taajuuspulssi eli virityspulssi valittuun magneettikenttään. Esimerkiksi magneettikentän E voimakkuuden ollessa 0,5 T, käytettävä taajuuspulssi on taajuudella 25 — 26 MHz. Yleisesti käytettävä taajuuspulssi on välillä 50 kHz — 150 MHz. Käytettäessä mittaukseen yhtä kelaa, voi käytettävän kelan pituus olla noin 10 - 20 cm, jolloin kuitususpensiovirtauksessa olevat protonit ehtivät virittyä ja luovuttaa energian kelan matkalla. Kelassa voi olla 100 - 200 kierrosta.

Kuvan 3 mukaisesti viritetyn protonin p luovuttama energia saa aikaan paluutaajuuden kelaan 22, joka voidaan mitata paluu- signaalina. Mitattava paluusignaali voidaan mitata erittäin herkillä mittausvälineillä 28 eli esimerkiksi vastaanottimella, O jonka mittaustarkkuus voi olla luokkaa 1 pV. Mitattava paluu- O 25 signaali on vain keskimääräinen signaali, eli tietyllä ajan- se jaksolla mitataan hetkittäisiä arvoja paluusignaalille, joiden = perusteella lasketaan keskiarvo tälle ajanjaksolle. "Toisin = sanottuna koko spektriä ei mitata, kuten yleisesti spektro- - skopiassa. Ajanjakson pituus voi olla esimerkiksi 0,5 - 2,0 s. & 30 Paluusignaalin voimakkuuden perusteella voidaan laskea protonin N relaksaatioajat Tl ja T2. Relaksaatioaika voidaan laskea kaavalla

N T2 = -t/(ln[a(t)/a,)

Ohjelmalliset välineet 30 ovat toteutettu tietokoneessa 25, jota voidaan käyttää tulosten esittämiseen ja sekä laitteen oh- jaukseen. Tietokone voi olla tavallinen pc tai vastaava. Virtauskanavan materiaalina on edullisesti lasi, teflon tai muu vastaava ei-magneettinen materiaali, joka ei häiritse mag- neettikentän muodostamista virtauskanavan sisään. Virtalähde on puolestaan vaihtovirtalähde, jonka yhteydessä voidaan käyttää taajuusmuuttujaa oikean taajuuden saavuttamiseksi.

Laitteen toimintojen ohjaus voi tapahtua samalla tietokoneella, jossa on ohjelmalliset välineet kuitujen huokoisuuden määrit- tämiseksi empiiristä kaavaa käyttäen mitattujen relaksaatio- aikojen perusteella. laitteen ohjaukseen voidaan käyttää erillistä ohjausohjelmisto, joka antaa esimerkiksi kenttäväylää pitkin sähköiset ohjaukset venttiilin toimilaitteille, jotka avaavat virtauskanavan venttiiliä näytteen ottamiseksi joko jaksoittain tai jatkuvasti.

Kuvassa 4 on esitetty keksinnön mukaisen menetelmän erään sovellusmuodon mukaisia vaiheita 40 — 62 lohkokaaviona. Keksinnön mukainen menetelmä alkaa näytteen ottamisesta joko jauhimen 100 jälkeen kuvan la mukaisesti tai sekä ennen että jälkeen jauhimen 100 kuvan lb mukaisesti. Edullisesti näyte otetaan kuvan 1b O mukaisesti sekä ennen jauhinta 100 ja jauhimen 100 jälkeen O 25 ohjaamalla kuitususpensio erilliseen sivuvirtauskanavaan 102 se näytteeksi vaiheen 40 mukaisesti, jolloin näytteen kuitujen = huokoisuus voidaan määrittää. Jauhimelle 100 menevään tai = jauhimelta 100 poistuvaan virtauskanavaan 101 on yhdistetty - sivuvirtauskanava 102, jossa on ensimmäinen venttiili 16 ja & 30 toinen venttiili 17. Ensimmäistä venttiiliä 16 avaamalla osa N kuitususpensiovirtauksesta ohjataan näytteeksi sivuvirtauska- N navaan 102 joko jaksoittain tai jatkuvasti. Edullisesti virtaus ohjataan sivuvirtauskanavaan 102 jaksoittain, koska tällöin näytevirtaus voidaan pysäyttää laitteen 10 magneetin sisään mittauksen ajaksi ensimmäisen venttiilin 16 ja toisen venttiilin 17 avulla. Jaksoittain toistettuna näytteenotto voi toistua esimerkiksi 1 — 2 minuutin välein.

Ensimmäistä venttiiliä 16 ja toista venttiiliä 17 ohjataan edullisesti tietokoneen 25 ja tietokoneella 25 käytettävien ohjelmallisten välineiden 30 avulla, johon on määritetty näytteenottoväli tai tarvittavan näytevirtauksen tilavuusvir- taus ajanjaksoa kohti. Ohjausohjelmiston perusteella tietokone 25 lähettää esimerkiksi kenttäväylää pitkin ohjauskomennon edullisesti kuvan 2 releelle 36, jonka kautta kulkee virransyöttö ensimmäisen venttiilin 16 ja toisen venttiilin 17 toimilait- teille. Edullisesti ensimmäinen venttiili 16 ja toinen venttiili 17 ovat magneettiventtiili, sillä magneettiventtiilit eivät ole yhtä alttiita ympäristön häiriöille kuin muut venttiilityypit. Kun virransyöttö venttiilien 16 ja 17 toimilaitteille katkaistaan releen 36 avulla, venttiilit 16 ja 17 sulkeutuvat ja virrallisena venttiilit 16 ja 17 ovat avoimessa asennossaan mahdollistaen kuitususpensiovirtauksen sivuvirtauskanavassa 102.

Edullisesti sivuvirtauskanavassa 102 on myös pumppu 34, jonka avulla vaikeasti liikuteltava kuitususpensio saadaan varmasti siirtymää sivuvirtauskanavaa 102 pitkin laitteistolle 18 O kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi. Pumppu voi olla esi- O 25 merkiksi letkupumppu. Edullisesti myös pumpun 34 virransyöttö on se saman releen 36 kautta, jolloin yhtä relettä 36 ohjaamalla voidaan = hallita koko näytteenottoa. Näytettä imetään sivuvirtauskanavaan = 102, kunnes näyte saavuttaa kulkeutuu magneetin 24 sisään, - jolloin releen 36 avulla katkaistaan virransyöttö ensimmäiselle & 30 venttiilille 16 ja toiselle venttiilille 17, jolloin nämä N sulkeutuvat. Samalla myös virransyöttö pumpulle 34 katkeaa. N Releen 36 ohjaus voidaan toteuttaa esimerkiksi aikaohjatusti.

Samaan aikaan laitteessa on muodostettu magneettikenttä edullisesti magneettina 24 käytetyn kestomagneetin avulla kuvan 4 vaiheen 42 mukaisesti.

Magneettikentän tarkoitus on mahdol- listaa protonien virittäminen kelan 22 muodostamien taajuus- pulssin avulla.

Kestomagneetin avulla muodostettuna magneet- tikenttä on pysyvä eikä sitä tarvitse erityisesti ohjata mitenkään.

Tietokoneen yhteyteen voi kuulua myös ohjausväli- neiden ohjaama elektroninen ohjausyksikkö, joka puolestaan ohjaa laitteen virtalähdettä muodostamaan taajuuspulsseja kelalle kuvan 4 vaiheen 44 mukaisesti.

Taajuuspulsseja muodostetaan edullisesti aiemmin esitetyllä taajuudella näytteen ollessa magneettikentässä.

Edullisesti käytettävä taajuuspulssi on niin sanottu CPMG-taajuuspulssi, joka sisältää yhden 90° pulssin ja useita 1809 pulsseja.

Pulssit lähetetään peräkkäin ja ne virittävät maagneettikentässä olevat protonit kuvan 4 vaiheen 46 mukaisesti.

Viritys purkautuu hyvin nopeasti ja protonin luovuttama energia saapuu kelalle aikaansaaden kelaan pienen jännitteen, joka mitataan mittausvälineiden avulla vaiheen 48 mukaisesti.

Mittausvälineiltä jännitetieto voidaan siirtää analogisena A/D-muuntimen tai digitalisena signaalina suoraan tietokoneelle 25, jossa se tallennetaan ohjelmallisien väli- neiden 30 avulla muistiin 35 jatkokäsittelyä varten.

O Jännitteen amplitudia mitataan edullisesti jatkuvasti ja O 25 hetkelliset mittaustulokset jännitteestä tallennetaan muistiin. se Edullisesti magneettikentässä oleva näyte kokee kelan avulla = muodostettavat neljä eri taajuuspulssia, jolloin muodostuu neljä = eri vaimenevaa signaalia, joiden amplitudit mitataan mittaus- > välineiden avulla.

Mitatut amplitudeista voidaan laskea & 30 keskiarvo ohjelmallisten välineiden avulla.

Tämän lisäksi N peräkkäisien näytteiden yli voidaan laskea keskiarvo, sillä N vaihtelut yksittäisien näytteiden välillä ovat huomattavasti suurempia kuin vaihtelut saman näytteen peräkkäisien signaalien välillä.

Mitatun paluusignaalin amplitudin perusteella laskettua protonin relaksaatioaikaa T1 tai T2 käytetään yhdessä empiirisesti määritetyn laskentamallien kanssa kuitujen huokoisuuden määrittämiseen ohjelmallisten välineiden avulla kuvan 5 vaiheessa 50. Laskentamallin yleinen muoto on seuraava: 4 Erp = (D, Arerpl Rx #t)) + C 1 Mallissa käytetään relaksaationopeutta eli Rx jonka suhde relaksaatioaikaan T on T = 1/R.

Mallissa käytettävien, yhteenlaskettavien eksponenttitekijöiden lukumäärä voi yhdestä neljään kappaletta, edullisesti yksi tai kaksi kappaletta, edullisimmin kaksi kappaletta.

Eksponentti- signaalin arvo saadaan suoraan NMR-mittauksessa mittausväli- neiden avulla kelalta mitattuna ja sen perusteella voidaan laskea relaksaatioaika ja amplitudi yleisiä laskentamenetelmiä käyttäen.

Seuraavaksi on esitetty esimerkkiarvoja sekä havu- että koivuselluille: Havu Koivu S Ar 1.482173 2.316276 N Ax 23.29918 20.00418 3 25 Rox 3.31536 3.007642 ™ Ree 0.765683 0.985788 Tr a o Yksinkertaistetussa yhden eksponenttitekijän mallissa laskenta D perustuu empiiriseen olettamaan, että kokeellinen signaali S 30 muodostuu yhdestä eksponenttisignaalista seuraavasti Exp = A *exp(Ro*t), missä NMR-spektroskopialla määritettävän eksponenttisignaalin voimakkuuden perusteella kuvan 5 vaiheessa 52 laskettava relaksaationopeus Ry kertoo vesimolekyylien keskimääräisen liiketilan.

Ro:n avulla voidaan laskea vaiheessa 54 veden suotautumista kuvaava WRV-arvo hyödyntäen lineaarista kaavaa ja kalibrointia WRVmnmr = kk*Rocor + vakio, missä Roecorr = R2 — a*(c — Cres) ja kk on lineaarisen kaavan kulmakerroin, a empiirinen vakio, c näytteen sakeus, Cres referenssisakeus ja Rocorr ON sakeuden suhteen korjattu relak- saationopeus Ra.

Tämä arvo vastaa laboratoriossa mitattua WRV-arvoa (yksikkö g/g). Laskennassa relaksaatioajan lisäksi NMR-mittauksesta saadaan signaalin amplitudi A, jota käytetään laskennassa hyväksi.

Kulmakerroin kk voidaan määrittää käyt- tämällä hyväksi kalibraationäytteitä, joiden WRV-arvot tiede- tään.

Referenssisakeutena voidaan käyttää valittua arvoa, jonka suhteen kaikki arvot korjataan laskennallisesti.

Edullisesti referenssisakeus voi olla 1,6 %. Erityisen hyvä tarkkuus on saavutettu empiirisen vakion arvolla 0,186 1/(%*s). Seuraavaksi kuvataan NMR-spektroskoopissa käytettyjä parametrejä, joita käyttämällä empiirisen vakion arvolla on saavutettu erityisen hyvä tarkkuus.

Käytetty reso- nanssitaajuutta on 21.73 MHz ja kaikuaika CPMG-pulssisarjassa on O 2 ms.

Aika CPMG-pulssisarjojen (sama näyte) välissä 6000 ms, kun O 25 summataan pulssisarjoja enemmän kuin yksi, jonka jälkeen se vaihdetaan näyte NMR-spektroskoopissa pumpun avulla.

Jos = näytteitä on yksi, tällöin pulssisarjojen välissä on 100 ms (näyte = vaihdettu välissä). 90 asteen pulssin pituus on 16 tai 35 - mikrosekuntia ja 180 asteen pulssin pituus puolestaan on 36 tai & 30 70 mikrosekuntia riippuen magneetista ja näyteyksiköstä.

Edellä N mainituilla parametreillä empiirisen vakion a arvo voi olla N välillä 0,1859 — 0,276.

Vaihtoehtoisesti yhden eksponenttitekijän mallille laskennassa voidaan käyttää kahden eksponenttitekijän mallia, eli niin sanottua fysikaalista mallia, jossa kokeellinen signaali Exp muodostuu kahdesta eksponenttiosasta, joista yksi on peräisin kuidun sisäisestä vedestä ja toinen kuidun ulkoisesta vedestä. Tämä johtuu siitä, että kuidun ulkoisen ja sisäisen veden välillä on hidas vaihto. Kokeellinen signaali voidaan esittää seuraavalla kaavalla Exp = Ar *exp(R2r*t) + Ar*exp(Rz*t) + C, missä amplitudit A; ja Ar kertovat kuinka paljon vettä on kuidussa ja sen ulkopuolella. Eksponenttisignaalin voimakkuudesta vaiheessa 56 laskettavat relaksaationopeudet Ror = Prs*Rre+Prr*Rir ja Roar = Prep*Rep+Pprr*Rer kertovat vesimolekyylien keskimääräisen liiketilan kuidun sisällä ja ulkopuolella. Kuidun sisäinen ja ulkoinen vesi on kahdessa eri tilassa: sitoutuneena (ps) ja vapaana (pr). Lisäksi tiedetään, että p + pr = 1 ja pes + Per = 1. Suhteellinen amplitudi Ar rea kertoo veden suhteellisen osuuden kuidun sisällä ja voidaan määrittää vaiheessa 58 seuraavalla kaavalla: Ar re1 = 100%*Ar/(Ar+Ar), kun taas suhteellinen amplitudi Az rei kertoo veden suhteellisen osuuden kuidun ulkopuolella ja voidaan määrittää seuraavalla kaavalla: oO O Ag rel = 100%*Ar/ (A:+Arz) g 25 ulkopuolella. Molemmissa osuuksissa on mukana sekä sitoutunut 0 että vapaa vesi.

E Sitoutuneen veden suhteelliset osuudet p kuidussa ja kuidun S ulkopuolella voidaan laskea vaiheessa 60 seuraavasti:

O N pie = (Rar — Ror) / (Ree — Ror) ja

N pee = (Rg — Ror) / (Roe — Ror), missä Ror on täysin vapaan veden relaksaatioaika, joka voidaan mitata, ja Ro on täysin sitoutuneen veden relaksaatioaika, joka voidaan arvioida. Arviointi voidaan tehdä käyttäen kalibraa- tiovakiota eli ottamalla näytteestä kokeellinen WRV-arvo, jonka perusteella lasketaan täysin sitoutuneen veden relaksaationo- peudelle Ro oikea arvo. Vaihtoehtoisesti Ros voidaan määrittää kokeellisesti NMR-laitteella näytteestä, josta on poistettu vapaa vesi esimerkiksi linkoamalla ennen NMR-mittausta. Tulo Ar rel” pre Kertoo, kuinka suuri osuus kokonaisveden määrästä on sitoutuneena kuidun sisällä ja Tulo Ar rea” prs kuinka suuri osuus kokonaisveden määrästä on sitoutunut kuidun ulkopuolelle. Lauseke Wiz = Ar rel” pe *(100-c)/c kertoo, kuinka monta grammaa vettä on sitoutuneena kuitugrammaa kohti kuidun sisällä ja Wes = Ag re1* Ppzp*(100-c)/c ulkona (yksikkö on g/g). c on näytteen sakeus (%). Lopuksi voidaan laskea vaiheessa 62 NMR-tekniikalla määritetty WRV-arvo seuraavan kaavan avulla: WRW NMR = Wig + WEB o Tämä arvo vastaa laboratoriossa mitattua WRV arvoa (yksikkö g/9).

N O

N 3 ! Kuvassa 6 on esitetty eräs esimerkki keksinnön mukaisesta 0 eta tera re nnas n M o säätöjärjestelmästä 11. Säätöjärjestelmään 11 kuuluu kaikissa

I jami a 25 sovellusmuodoissa keksinnön mukainen laite 10 jauhimelta 100 S poistuvan kuitususpension yksittäisien kuitujen huokoisuuden S mittaamiseksi, laskentayksikkö 112 säätöparametrien laske-— O , , , , . . N miseksi laitteen 10 avulla mitattujen kuidun huokoisuuden ja valitun tavoitteen perusteella ja tiedonsiirtovälineet 114 = säätöparametrien siirtämiseksi laskentayksiköltä 112 jauhimelle

100 tai kuiturainakoneelle 110 tai molemmille.

Tietoa kuidun huokoisuudesta voidaan käyttää hyväksi jauhatuksen säätöön tai kuiturainakoneen 110 ajettavuuden parantamiseen tai molempiin.

Kuitujen huokoisuus mitataan ainakin jauhimelta 100 poistuvasta kuitususpensiosta, mutta edullisesti mittaus voidaan suorittaa sekä ennen että jälkeen jauhimien 100 kuten kuvassa 6. Tällöin saadaan tarkkaa tietoa jauhatuksen vaikutuksesta kuitususpension kuitujen ominaisuuksiin.

Säätöjärjestelmässä laskentayksikkö 112 saa tiedonsiirtoväli- neitä 114 käyttäen, esimerkiksi kenttäväylää pitkin laitteen 10 avulla lähes reaaliaikaisesti lasketun näytteen kuitujen huokoisuustiedon.

Laskentayksikölle 112 on edullisesti annettu tavoitearvo, joka on haluttu kuidun huokoisuusarvo.

Mitatun ja tavoitteen välinen erotus lasketaan ja erotuksen perusteella ohjataan jauhinta esimerkiksi muuttamalla jauhatuksen omi- naisenergiankulutusta tai jauhimen teräkulmia.

Huokoisuusarvon perusteella tapahtuva säätö voi olla myös kuiturainakoneen säätöä esimerkiksi muuttamalla kuitususpension ja täyteaineiden suhdetta paperinvalmistuksessa, höyryn käyttöä kuiturainakoneen kuivatusosalla tai puristimen paineita puristusosalla.

Säätöjärjestelmän laskentayksikkö voi olla erillinen tietokone, O mutta edullisesti säätöjärjestelmän laskentayksikkö on integ- O 25 roitu keksinnön mukaisen laitteen tietokoneeseen.

Edullisesti se säätöjärjestelmään 11 kuvan 6 mukaisesti kuuluu kaksi sivu- = virtauskanavaa 102 näytteen ottamiseksi sekä ennen että jälkeen = jauhinta 100. Lisäksi säätöjärjestelmään kuuluu edullisesti myös > ensimmäinen venttiili 16 ja kolmas venttiili 15, joiden avulla & 30 näyte voidaan pysäyttää laitteen 10 kohdalle.

Mikäli näyte N otetaan ennen jauhinta 100, näytteen pysäytys tapahtuu toista N venttiiliä 17 ja kolmatta venttiiliä 15 käyttäen.

Jos näyte otetaan jauhimen 100 jälkeen, näytteen pysäytys tapahtuu toista venttiiliä 17 ja ensimmäistä venttiiliä 16 käyttäen.

Lasken-

tayksikkö 112 on sovitettu laskemaan ennen ja jälkeen jauhinta 100 otetuista näytteistä kuitujen huokoisuuden ja näiden vertailuarvon ja säätämään jauhinta 100 tai kuiturainakonetta 110 vertailuarvon perusteella. Jauhimen säätö voi olla takaisin- kytkeytyvää säätöä ja säädön yhteydessä voidaan käyttää tekniikan tasosta tunnettuja PID-säätimiä säädön nopeuttamiseksi. Erään sovellusmuodon mukaan laitteen ohjelmalliset välineet ovat sovitettu käyttämään muistiin tallennettuja edellisiä huokoi- suuden mittausarvoja säädön laskennassa siten, että kahdesta tai useammasta viimeisestä huokoisuuden mittausarvosta lasketaan keskiarvo tai muu tilastollinen arvo, jonka avulla yksittäisen mittauksen poikkeaman merkitystä säätöön vähennetään ja säätöä vakautetaan.

Keksintöön kuulumattomana osana voidaan ajatella, että NMR-spektroskooppia käytetään ainoastaan kuidun sisäisen ja ulkoisen veden määrän määrittämiseen. Kuidun sisäisen veden määrä korreloi sitä, kuinka jauhatus on saanut aikaan kuidun sisäistä fibrillaatiota, kun taas ulkoisen sitoutuneen veden määrä puolestaan korreloi sitä, kuinka jauhatus on saanut aikaan kuidun ulkoista fibrilloitumista. Näin pelkästään kuidun ulkoisen ja o sisäisen veden määrien perusteella voidaan päätellä seikkoja

N < jauhatuksen toimivuudesta ilman kuidun huokoisuuden määrittä- se 25 mistä kokonaisuutena. ™

I jami a oO

N 0 0

O N O N

Claims (14)

PATENTTIVAATIMUKSET

1. Menetelmä kuidun huokoisuuden määrittämiseksi kui- tususpensiossa, jossa otetaan näyte kuitususpensiosta ja määritetään kuidun huokoisuus määrittämällä kuidun sisäisen veden suhde kuidun ulkoiseen sitoutuneeseen veteen, tunnettu siitä, että sanottu kuidun huokoisuuden määritys sanotulle näytteelle suoritetaan online-mittauksena NMR-spektroskooppia käyttäen seuraavina vaiheina: = muodostetaan magneettikenttä (E) näytteessä olevan veden protonien virittämiseksi, - viritetään näytteessä olevan kuitususpension vesimo- lekyylit (v) kelan avulla aikaansaadun taajuuspulssin avulla, -— mitataan vesimolekyyleistä (v) takaisin kelaan (22) palaavan taajuuspulssin paluusignaali, - määritetään paluusignaalista protonin relaksaatioaika ja paluusignaalin amplitudi, - määritetään kuitususpension kuitujen huokoisuus paluusignaalin amplitudiin ja relaksaatioaikaan perustuen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään kuitususpension kuitujen huokoisuus käyttäen paluusignaalin ainakin yhdestä exponenttisignaalista o koostuvaa paluusignaalin yleistä mallia & : W & Erp = O° Arerp(Re #t)) + C ! 25 1 n relaksaatioajan määrittämiseksi, missä Exp on paluusignaali, A z paluusignaalin amplitudi, Rx relaksaationopeus ja t signaalin S mittausaika. 0) 5 S 30

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään kuitususpension kuitujen huokoisuus käyttäen ainoastaan yhdestä exponenttisignaalista koostuvaa mallia Exp = A*exp(Ro*t) relaksaatioajan määrittä- miseksi ja lineaarista kaavaa WRVwmr = Kk*[Ro-a*(c — Cres)] + C, kuidun huokoisuuden määrittämiseksi WRV-arvona, missä kk on lineaarisen kaavan kulmakerroin, a empiirinen vakio ja C toinen empiirinen vakio.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sanotun empiirisen vakion a arvo on välillä 0,17 - 0,30 1/(%*s), edullisesti 0,18 — 0,20 1/(%*s) ja toisen empiirisen vakion C arvo välillä 1,0 — 2,5 1/s, edullisesti 1,4 — 2,0 1/s.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään kuitususpension kuitujen huokoisuus käyttäen kahdesta exponenttisignaalista koostuvalla mallilla Exp = Ar*exp(Ror*t)+ Ag*exp(Roz*t) + D relaksaatioajan määrittämiseksi, missä D on kolmas empiirinen vakio.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuidun huokoisuus määritetään WRV-arvona seuraavina vaiheina: - lasketaan amplitudien Ar ja Ar perusteella kuidun sisäisen veden suhteellinen määrä Ar r1 ja ulkoisen veden suhteellinen määrä Ar rel, O - lasketaan kuidun sisään sitoutuneen veden suhteellinen O 25 osuus pre kuidussa täysin vapaan veden relaksaationopeuden Ror, se täysin sitoutuneen relaksaationopeuden Ra ja kuidun sisäisen en sitoutuneen veden Rar relaksaationopeuden perusteella, = - lasketaan kuidun ulkopuolelle sitoutuneen veden > suhteellinen osuus pee kuidussa täysin vapaan veden relaksaa- & 30 tionopeuden Ror, täysin sitoutuneen relaksaationopeuden Ros ja N kuidun ulkoisen sitoutuneen veden Ra relaksaationopeuden N perusteella,

- lasketaan sitoutuneen veden määrä kuidussa Ws kuidun sisäisen veden suhteellisen määrän Ar rei, kuidun sisään si- toutuneen veden suhteellisen osuuden pre ja sakeuden c perus- teella, — lasketaan sitoutuneen veden määrä kuidun ulkopuolella Wee kuidun ulkoisen veden suhteellisen määrän Ar rei, kuidun ulkopuolelle sitoutuneen veden suhteellisen osuuden pss ja sakeuden c perusteella, = lasketaan WRV-arvo kuidussa olevan sitoutuneen veden —määrän W ja kuidun ulkopuolella olevan sitoutuneen veden määrän Wir summana.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sanotun kolmannen empiirisen vakion D arvo on välillä 0 - 1.

8. Laite (10) kuitususpension kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi, johon kuuluu — laitteisto (18) huokoisuuden määrittämiseksi näytteen perusteella käsittäen näytekanavan (12), tietokoneen (25) ja ohjelmalliset välineet (30), - liitosvälineet (13) sanotun laitteiston (18) liittä- miseksi jauhimen (100) yhteyteen joko suoraan kuitususpension O virtauskanavaan (101) tai sivuvirtauskanavaan (102), joka O 25 sivuvirtauskanava on sovitettu ohjaamaan osan jauhimelta (100) se tulevasta kuitususpensiovirtauksesta (14) erilliseksi näyt- = teeksi, tunnettu siitä, että laite (10) on sovitettu kytket- = täväksi jauhimen (100) yhteyteen kuitujen huokoisuuden mää- > rittämiseksi online-mittauksena ja sanottu laitteisto (18) & 30 huokoisuuden määrittämiseksi on time domain NMR-spektroskooppi N (20), johon sanottuun NMR-spektroskooppiin (20) kuuluu: N — ainakin yksi kela (22) sovitettuna näytekanavan (12) ympärille virittämään näytteessä olevan kuitususpension veden protonit (p) taajuuspulssien avulla,

- magneetti (24) sovitettuna sanotun näytekanavan (12) ympärille magneettikentän (E) muodostamiseksi näytekanavaan (12), - virtalähde (26) ohjaimineen yhteydessä kelaan (22) taajuuspulssien muodostamiseksi, - mittausvälineet (28) kelaan (22) protoneista (p) takaisin palaavan taajuuspulssin muodostaman virran voimakkuuden mittaamiseksi paluusignaalin muodostamiseksi, - sanottu tietokone (25) varustettuna sanotuilla ohjelmallisilla välineillä (30) näytteiden huokoisuuden määrittämiseksi paluusignaalin perusteella, jotka ohjelmalliset välineet (30) ovat sovitettu - määrittämään paluusignaalista protonin relaksaatioaika ja paluusignaalin amplitudi, - määrittämään kuitususpension kuitujen huokoisuus relaksaatioajan ja amplitudin perusteella.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että ohjelmalliset välineet ovat sovitettu määrittämään kuitususpension kuitujen huokoisuus käyttäen paluusignaalin ainakin yhdestä exponenttisignaalista koostuvaa paluusignaalin yleistä mallia 4 N i N relaksaatioajan määrittämiseksi, missä Exp on paluusignaali, A S 25 paluusignaalin amplitudi, Rx relaksaationopeus ja t signaalin n mittausaika. x a S

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen laite, tunnettu D siitä, että laitteeseen (10) kuuluu pumppu (34) näytteen O 30 imemiseksi virtauskanavasta (101) sivuvirtauskanavaan (102) ja NMR-spektroskoopille (20) sijoitettuna NMR-spektroskoopin (20) jälkeen sivuvirtauskanavaan (102).

11. Säätöjärjestelmä (11) kuiturainakoneen (110) yhtey- dessä, johon säätöjärjestelmään (11) kuuluu - laite (10) jauhimelta (100) poistuvan kuitususpension yksittäisien kuitujen huokoisuuden mittaamiseksi, - laskentayksikkö (112) säätöparametrien laskemiseksi laitteen (10) avulla mitattujen kuidun huokoisuuden ja valitun tavoitteen perusteella, ja - tiedonsiirtovälineet (114) säätöparametrien siirtä- miseksi laskentayksiköltä (112) jauhimelle (100) tai kuitu- rainakoneelle (110) tai molemmille, tunnettu siitä, että sanottu laite (10) on jonkin patenttivaatimuksen 8 — 10 mukainen laite (10) kuitususpension kuitujen huokoisuuden määrittämiseksi.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen säätöjärjestelmä, tunnettu siitä, että säätöjärjestelmään (11) kuuluu kaksi sivuvirtauskanavaa (102) näytteen ottamiseksi sekä ennen että jälkeen jauhinta (100).

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen säätöjärjestelmä, tunnettu siitä, että säätöjärjestelmään (11) kuuluu ensimmäinen venttiili (16) ja kolmas venttiili (15) sovitettuna sanottuihin sivuvirtauskanaviin (102) näytteen pysäyttämiseksi mittauksen o ajaksi.

S 25 se

14. Jonkin patenttivaatimuksen 11 - 13 mukainen säätö- = järjestelmä, tunnettu siitä, että laskentayksikkö (112) on = sovitettu laskemaan ennen ja jälkeen jauhinta (100) otetuista > näytteistä kuitujen huokoisuuden ja näiden vertailuarvon, ja & 30 säätämään jauhinta (100) tai kuiturainakonetta (110) vertai- N luarvon perusteella.

N