FI67759B

FI67759B - ADJUSTMENT OF PAPER MACHINERY

Info

Publication number: FI67759B
Application number: FI832346A
Authority: FI
Inventors: Pertti Puumalainen
Original assignee: Enso Gutzeit Oy
Priority date: 1983-06-28
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1985-01-31
Also published as: FI67759C; FI832346A0

Description

6775967759

MENETELMÄ VALOTIEN OHJAAMISEKSI PAPERIN KOSTEUSMITTAREISSA - FÖRFA-RANDE FÖR DIRIGERING AV LJUSVÄGEN I PAPPERSFUKTMÄTAREMETHOD OF CONTROLLING LIGHT PATTERNS ON PAPER HUMIDITY METERS - FÖRFA-RANDE FÖR DIRIGERING AV LJUSVÄGEN I PAPER FUKTMÄTARE

5 Tämä on keksintö valotien ohjaamiseksi paperin kosteusmittareissa, joissa voidaan käyttää valona esim. infrapunasäteilyä.This is an invention for controlling a light path in paper moisture meters in which, for example, infrared radiation can be used as light.

Infrapunasäteilyllä toimivat kosteusmittarit perustuvat siihen, että infrapunasäteilyä absorboituu veteen yhtälön IT = Iq exp LO (-K(Λ )x) mukaan, jolloin IT = läpimenneen säteilyn intensiteetti, Iq = pr i maar i sä te i ly n intensiteetti, K{ ,λ )b<( ^ ^ = absorptioker- roin, A= aallonpituus, § = veden tiheys ja x = vesikerroksen paksuus.Infrared humidity meters are based on the fact that infrared radiation is absorbed into water according to the equation IT = Iq exp LO (-K (Λ) x), where IT = intensity of transmitted radiation, Iq = intensity of pr i maar i ray i ly n, K {, λ ) b <(^ ^ = absorption coefficient, A = wavelength, § = water density and x = water layer thickness.

L5 ' Asettamalla vesikerroksen toiselle puolelle ideaalinen heijastin, jonka heijastuskerroin R tunnetaan, voidaan mitata heijastunutta säitelyä I, jolloin herkkyys kasvaa kaksinkertaiseksi vesikerrok-sen paksuuden muutoksille.L5 'By placing an ideal reflector on one side of the water layer, the reflection coefficient R of which is known, it is possible to measure the reflected reflection I, whereby the sensitivity to double the changes in the thickness of the water layer.

20 Veden K( A ) eroaa voimakkaasti lähiaallonpituuksien absorptioker-toimista mm. aallonpituudella 1,94 pm, joten tätä aallonpituutta voidaan käyttää vesipitoisuuksien määrittämiseen.20 The K (A) of water differs strongly from the absorption coefficients of near-wavelengths e.g. at a wavelength of 1.94 pm, so this wavelength can be used to determine water concentrations.

Käytännössä mittaus suoritetaan vertaamalla valonsäteen, jonka 25 aallonpituus on 1,94 pm absorptiota, sellaisen referenssivalonsäteen absorptioon, jonka aallonpituus on välittömästi veden absorp-tiopiikin alapuolella {1,8 pm), ja laskemalla näitten suhde.In practice, the measurement is performed by comparing the absorption of a light beam having an absorption wavelength of 1.94 μm with that of a reference light beam having a wavelength immediately below the water absorption peak (1.8 μm) and calculating the ratio thereof.

Koska seiluloosakuitujen paksuus on samaa suuruusluokkaa kuin 30 mittaukseen käytetyn valon aallonpituus, hajaantuu valo paperissa diffuusiksi valoksi. Tästä johtuen voidaan periaatteessa mitata joko paperin läpi tapahtuva absorptio (transmissiomittaus) , tai paperissa sironnutta valoa samalta puolelta, jolla sijaitsee valonlähde (heijastusmittaus). Infrapunasäteilyyn perustuvassa paperin 35 kosteuden mittaamisessa on hankaluutena ohuitten paperien pieni valonabsorptio ja paksuuden kasvaessa se, että mittaussäde absorboituu luonnollisesti lähes kokonaan. Edellisessä tapauksessa on ero mittaussignaalin välillä pieni ja jälkimmäisessä tapauksessa tulee mittaustulos riippuvaksi myös paperin tai kartongin neliöpai-J0 nosta.Since the thickness of the cellulose fibers is of the same order of magnitude as the wavelength of the light used for the measurement, the light is scattered in the paper into diffuse light. As a result, it is in principle possible to measure either the absorption through the paper (transmission measurement), or the light scattered in the paper from the same side as the light source (reflection measurement). The difficulty in measuring the moisture of the paper 35 based on infrared radiation is the low light absorption of the thin papers and, as the thickness increases, the measurement beam is naturally almost completely absorbed. In the former case, the difference between the measurement signal is small, and in the latter case, the measurement result also depends on the square weight J0 of the paper or board.

Yllämainitut probleemat on ratkaistu infrapunavaloa käyttävässä 67759 kosteusmittarissa siten, että säteilyn annetaan heijastua paperin pinnasta ja mennä läpi useampia kertoja. Tällä tavalla päästään lähes ideaaliseen tulokseen, jolloin mittari "näkee" kaikki paperit paksuina. Yllämainittu monimutkainen heijastus ja transmissio 5 suoritetaan tällä hetkellä käytössä olevissa infrapunakosteusmitta-reissä kahdella tavalla: 1. Ns. integroivaa palloa hyväksi käyttävässä mittaustavassa valonlähteestä tuleva valo johdetaan pallon sisältä kohtisuoraan paperi- 10 rataa vasten ja kerätään heijastunut valo paperirataa vasten olevasta aukosta pallon sisävaipalle, josta se heijastuu pallon alle sijoitettuun ilmaisimeen, jolle heijastuneet säteet näinollen tulevat pallon eri osista pääasiassa vinossa suunnassa eikä kohtisuoraan. Tästä seuraa hankaluus, että pallon sisällä olevaa sätei- 15 lyä ei voida jakaa helposti suodattimi1la referenssi- ja mittaus-aallonpituuteen, sillä suodattimet vaativat lähes kohtisuoraan suunnatun säteilyn toimiakseen oikein. Tämän takia vaihdellaan integroivaan palloon päästettävää säteilyä vuoron perään referenssi- ja mittaussäteilyksi. Tästä seuraa se, että kosteuden mittaus 20 tulee epätarkaksi tai hitaaksi paperin formaation takia kun mittaus vertai1usäteillä ei ole samanlainen.The above problems have been solved in a 67759 humidity meter using infrared light by allowing the radiation to be reflected from the surface of the paper and pass through several times. In this way, an almost ideal result is achieved, in which case the meter "sees" all the papers as thick. The above-mentioned complex reflection and transmission 5 is performed in the currently used infrared moisture meters in two ways: 1. In the so-called integrating ball measurement method, light from a light source is conducted from inside the ball perpendicular to the paper web and collecting reflected light from the ball web it is reflected to a detector placed under the sphere, to which the reflected rays thus come from different parts of the sphere mainly in an oblique direction and not perpendicularly. The consequence of this is that the radiation inside the sphere cannot be easily divided by the filter into reference and measurement wavelengths, since the filters require radiation directed almost perpendicularly in order to function properly. For this reason, the radiation emitted into the integrating sphere is alternately alternated into reference and measurement radiation. It follows that the moisture measurement 20 becomes inaccurate or slow due to the formation of the paper when the measurement with the reference rays is not similar.

2. Paperiradan annetaan kulkea kahden peilin välissä, joiden väliin päästetään infrapunasäteily siroamaan moneen kertaan paperiradasta 25 ja heijastumaan peilistä toiseen. Valo johdetaan toisessa peilissä olevasta lähtöaukosta ilmisimiin, joista kumpikin mittaa omaa aallonpituuttaan säteilystä, joka tulee paperiradasta. Tämä peilien välissä sirottaminen vaatii kuitenkin suuria tehoja, jos paperin (kartongin) neliöpaino nousee yli 150 g/m2 . Tämä johtuu siitä, 30 että diffuusin valon analyysiin tuominen vaatii pienen lähtöaukon, koska tämä toimii ilmaisimien valonlähteenä, jonka kuva siirretään optiikkaa käyttäen pienten puolijohdeilmaisimien pintaan (pinta-alat ovat 1-10 mm2). Yllämainitunkaltaisen pistemäisen valonlähteen käyttö antaa kuitenkin mahdollisuuden suorittaa yhtäaikaisia mit-35 tauksia referenssi- ja mittaussätei1lä käyttämällä hyväksi valo-suihkun j aka jaa sekä yhdensuuntaiseen valoon sijoitettuja suodattimia.2. The paper web is allowed to pass between two mirrors, between which infrared radiation is allowed to scatter several times from the paper web 25 and be reflected from one mirror to another. The light is conducted from the output aperture in the second mirror to detectors, each of which measures its own wavelength of radiation coming from the paper web. However, this scattering between mirrors requires high powers if the basis weight of the paper (board) rises above 150 g / m2. This is because the introduction of diffuse light into the analysis requires a small output aperture, as this acts as a light source for the detectors, the image of which is transmitted by optics to the surface of the small semiconductor detectors (areas 1-10 mm2). However, the use of a point light source such as the one mentioned above makes it possible to perform simultaneous measurements with reference and measuring beams using a light beam splitter and filters placed in parallel light.

Tämän keksinnön päämääränä on aikaansaada menetelmä infrapunavalon 40 valotien ohjaamiseksi paperiradan läpi sillä tavalla, että diffuusin valon keräys on mahdollisimman tehokasta samalla, kun suorite- 3 67759 taan referenssi- ja mittaussäteen yhtäaikaisia mittauksia. Keksintöä, jolle on tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa, kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti piirustuksilla, joissa 5It is an object of the present invention to provide a method for guiding the light path of infrared light 40 through a paper path in such a way that the collection of diffuse light is as efficient as possible while performing simultaneous measurements of the reference and measurement beams. The invention, which is characterized by what is set forth in the appended claims, is described in detail below with reference to the drawings, in which

Kuva 1 esittää yleisesti ottaen koko infrapunavaloon perustuvaa kosteusmittausmenetelmää, jossa on käytetty hyväksi kuvassa 2 esitettyä, keksinnön toisen suoritusmuodon mukaista valo-tien ohjausmenetelmää.Figure 1 shows a humidity measurement method based on whole infrared light in general, utilizing the light path control method according to the second embodiment of the invention shown in Figure 2.

1010

Kuva 3 esittää kuvan 2 mukaisesti suurennettuna keksinnön toisen suoritusmuodon mukaista valotien ohjausmenetelmää.Fig. 3 is an enlarged view of a light path control method according to a second embodiment of the invention according to Fig. 2.

, Kuvan 1 mukaisesti kohdistetaan valonlähteenä 1 toimivasta hehku-15 lampusta valo ensin linssin 2 avulla pyörivään reikälevyyn 3, joka katkoo valon pulsseiksi. Tämän jälkeen kohdistetaan valonlähteen polttopiste linssisysteemin 4 avulla paperiradan 5 alla olevan peilin 6 säteilyn suuntaan supistuvasta pei1ipintaisesta kartiorei-ästä 7 paperin pintaa vasten siroten siitä diffuusiksi valoksi.According to Fig. 1, light from an incandescent lamp 15 acting as a light source 1 is first directed by means of a lens 2 to a rotating perforated plate 3, which breaks the light into pulses. Thereafter, the focal point of the light source is aligned by means of the lens system 4 from the mirror-conical hole 7 of the mirror 6 below the paper path 5, which shrinks against the surface of the paper, scattering it into diffuse light.

2020

Valon heijastamiseksi edestakaisin paperiradan 5 läpi on paperiradan 5 ylle vastapäätä reikää asetettu samankeskeinen kartiomainen peilikappale 8, jonka pohjapintaa vasten reiästä 7 tuleva valo osuu heijastuen siitä takaisin peilin 6 sisäpintaan.In order to reflect the light back and forth through the paper path 5, a concentric conical mirror piece 8 is placed above the paper path 5 opposite the hole, against the bottom surface of which the light coming from the hole 7 hits it back to the inner surface of the mirror 6.

2525

Diffuusin valon keräämiseksi peilien 6 ja 8 välistä peilikappaleen 8 ympärille on asetettu toinen peilikappale 9, jossa on peilikappaleen 8 kartiota laajempi ja loivemmin valon kulkusuuntaan viettävä aukko niin, että muodostuu valon kulkusuuntaan supistuva, poikki-30 leikkaukseltaan ympyrärenkaan muotoinen kanava 10, joka päättyy suhteellisen pieneen poistoaukkoon 11, johon muodostuu kuvan 2 mukaisesti paperiradasta heijastuvan diffuusin valon tihentymä, joka toimii ilmaisuoptiikan uutena valonlähteenä.In order to collect diffuse light between the mirrors 6 and 8, a second mirror body 9 is placed around the mirror body 8, with an aperture wider than the cone of the mirror body 8 and extending more gently in the direction of light to form a constricted channel 10 of circular cross-section. to the outlet 11, in which, according to Fig. 2, a diffusion of diffuse light reflected from the paper web is formed, which acts as a new light source in the detection optics.

35 Yllämainitun valonlähteen kuva muodostetaan johtamalla säteily aukosta 11 linssin 12 läpi, joka yhdensuuntaistaa säteet. Nämä kohdistetaan suihkunjakajana toimivaan puoliksiläpäisevään peiliin 13, joka jakaa kuvan 1 mukaisesti suihkun vaakasuoraksi ja pystysuoraksi komponentiksi. Nämä johdetaan kumpikin oman suodattimensa 40 14 ja 15 läpi. Toinen näistä suodattimista päästää läpi referens- 67759 sisäteen aallonpituuden, toinen puolestaan mittaussäteen aallonpituuden. Suodattimien 14 ja 15 jälkeen muodostetaan poistoaukossa 11 olevan valonlähteen kuva sekä ilmaisimelle 16, että ilmaisimelle 17 käyttäen kokoojaiinssejä 18, 19 suodattimien ja ilmaisimien 5 välissä. Ilmaisimet ovat puolijohdeilmaisimia, jotka muuttavat niihin tulleen pulssitetun valon sähköpulsseiksi. Näistä voidaan tietokonetta hyväksi käyttäen laskea kumpaankin ilmaisimeen kerätyn säteilyn suhde, jonka perusteella on määritettävissä paperiradan 5 kosteuspitoisuus.The image of the above light source is formed by passing radiation from an aperture 11 through a lens 12 which aligns the rays. These are aligned with a semipermeable mirror 13 acting as a jet divider, which divides the jet into a horizontal and a vertical component according to Fig. 1. These are each passed through their own filters 40 14 and 15. One of these filters passes the reference wavelength of the reference 67759, the other passes the measurement wavelength. After the filters 14 and 15, an image of the light source in the outlet 11 is formed for both the detector 16 and the detector 17 using collector lenses 18, 19 between the filters and the detectors 5. Detectors are semiconductor detectors that convert pulsed light into electrical pulses. From these, the ratio of the radiation collected in each detector can be calculated using a computer, on the basis of which the moisture content of the paper web 5 can be determined.

1010

Kuvan 3 mukaisessa suoritusmuodossa valonlähteen (ei esitetty) säteilemän valon polttopiste on tuotu pyörivään reikälevyyn 20, joka katkoo valon pulsseiksi. Reikälevy 20 on asetettu kartiomai-sen pei1ikappa1een 21 kärjen välittömään läheisyyteen, niin että 15 reikälevyn 20 rei1istä tulevat valopulssit joutuvat peilikappaleen 21 kartiopinnoille, jotka on tehty heijastaviksi. Peilikappaletta 21, joka tässä tapauksessa on asetettu paperiradan 5 alapuolelle, ympäröi toinen peilikappale 22, johon on tehty peilikappaleen 21 kartiota laajempi ja sitä loivemmin viettävä kartioaukko niin, 20 että peilikappaleen 21 ja 22 väliin muodostuu säteilyn kulkusuuntaan laajeneva, poikkileikkaukseltaan ympyrärenkaan muotoinen kanava 23, jossa kuvassa 3 pistekatkoviivoi 1la esitetty säteily pääsee peilikappaleen 21 ulkopinnasta heijastumaan peilikappaleen 22 sisäpintaan ja siitä takaisin. Kuvan 3 mukaisesti valo kulkies-25 saan paperirataa 5 kohti leviää lähtökohdastaan ulospäin. Tullessaan paperirataan 5 valo diffusoituu ja osa valosta menee kuvan 3 osoittamalla tavalla radan 5 läpi ja suuntautuu paperiradan 5 päälle asetetun peilin 24 sisäpintaa vasten heijastuen siitä peilin 21 yläpintaa vasten. Heijastellessaan peilien 21 ja 24 30 välissä rengaskanavasta 23 tuleva säteily kerääntyy peilin 21 pohjan keskipistettä kohti, kuten on pistekatkoviivoin esitetty kuvassa 3. Peilikappaleen 21 pohjan keskipistettä vastapäätä on peilissä 24 samankeskeinen pieni kartioreikä 25, joka laajenee säteilyn kulkusuuntaan ja johon muodostuu paperiradasta 5 heijastu-35 neesta diffuusista valosta kerääntyneistä säteistä uusi valonlähde i1maisuoptiikalle, josta on kuvassa 3 esitetty vain valonsäteet yhdensuuntaistava linssi 26, jonka läpi aukosta 25 tuleva valonsä-teily kulkee. Tämän jälkeen muodostetaan yllämainitun uuden valonlähteen kuvat ilmaisimille samalla tavalla kuin kuvassa 1.In the embodiment of Figure 3, the focal point of the light emitted by the light source (not shown) is introduced into a rotating perforated plate 20 which breaks the light into pulses. The perforated plate 20 is placed in the immediate vicinity of the tip of the conical mirror body 21 so that the light pulses coming from the holes in the perforated plate 20 are applied to the conical surfaces of the mirror body 21 which are made reflective. The mirror piece 21, which in this case is placed below the paper path 5, is surrounded by a second mirror piece 22 with a cone opening wider and gently extending beyond the cone of the mirror piece 21 so that a radially circular cross-sectional ring 23 the radiation shown by the dotted line 11a in Fig. 3 is reflected from the outer surface of the mirror body 21 to and from the inner surface of the mirror body 22. As shown in Fig. 3, the light passing through the paper path 5 is propagated outwards from its starting point. Upon entering the paper web 5, the light diffuses and some of the light passes through the web 5 as shown in Fig. 3 and is directed against the inner surface of the mirror 24 placed on the paper web 5, reflecting from it against the upper surface of the mirror 21. Reflecting between the mirrors 21 and 24 30, radiation from the annular channel 23 accumulates towards the center of the bottom of the mirror 21, as shown by dashed lines in Figure 3. Opposite the center of the bottom of the mirror body 21 is a concentric small conical hole 25 in the mirror 24 of the diffuse light collected from the diffuse light, a new light source for the optics optics, of which only the light beam paralleling lens 26 is shown in Fig. 3, through which the light radiation from the aperture 25 passes. Thereafter, images of the above-mentioned new light source are generated for the detectors in the same manner as in Fig. 1.

6775967759

Peilikappaleitten sisä- ja ulkokartiopinnat voidaan tehdä esim. die1ektrise11ä materiaalilla päällystetystä kiilloitetusta kuparista, jolloin päästään heijastuskertoimiin, jotka ovat reilusti yli 99 %. Tällöin kartioiden välissä tapahtuva jopa keskimäärin 5 kymmenkertainen heijastelu antaa läpi käytännöllisesti katsoen kaiken valon. Tietenkään hyvin vinosti lähtevä säteily ei mene myöskään systeemistä läpi tai osu valonlähteestä linssiin, mutta näin käy aina, kun pistemäisestä valQnlähteestä kerätään valoa linssillä. Tämä johtuu linssin reaalisesta apertuurista.The inner and outer conical surfaces of the mirror bodies can be made, for example, of polished copper coated with a dielectric material, in which case reflection coefficients of well over 99% are achieved. In this case, the reflection between the cones, which averages up to 10 times, transmits practically all the light. Of course, very obliquely emitted radiation also does not pass through the system or hit the lens from the light source, but this always happens when light is collected from the point light source by the lens. This is due to the actual aperture of the lens.

1010

Ylläkuvatuista suoritusmuodoista on kuvissa 1 ja 2 esitetty tehokkaampi, koska kuvan 3 suoritusmuodosta pääsee osa valosta myös diffuusina rengaskanavasta 23 suoraan ulospäin. Kuvan 3 mukainen valonsäteitten keräys on kuitenkin rakenteeltaan yksinkertaisempi, 15 koska siinä voidaan lähteä suoraan reikälevyn 20 läpi tulevasta avautuvasta sädekimpusta. Teoreettisesti valonkeräystehokkuus suhteeksi sellaisen mittausmenetelmän, jossa käytetään säteilyn tuloja poistoaukkoina pyöreitä reikiä peileissä (halkaisija 3 mm, etäisyys toisistaan 5 cm) ja keksinnön mukaisen mittausmenetelmän 20 välillä (kuvan 1 ja 2 suoritusmuoto, jossa lähtöaukon renkaan halkaisija on 10 cm ja renkaan leveys 1 cm) voidaan laskea arvo 100, joka saadaan suoraan pinta-alojen suhteesta samalla peilien välisellä diffuusiomatkalla 5 cm. Keksintö ei ole rajoittunut ylläolevassa selityksessä ja kuvissa esitettyihin suoritusmuotoi-25 hin. Niinpä sisäkkäisten kartiomaisten peilikappaleitten sijasta voidaan käyttää myös poikkileikkaukseltaan monikulmion muotoisia pyramideja.Of the embodiments described above, Figures 1 and 2 are shown to be more efficient, because part of the light from the embodiment of Figure 3 also diffuses directly outwards from the ring channel 23. However, the collection of light rays according to Fig. 3 is simpler in structure, because it can start directly from the opening beam coming through the perforated plate 20. Theoretically, the light collection efficiency is the ratio between a measuring method using round holes in mirrors (3 mm in diameter, 5 cm apart) and a measuring method 20 according to the invention (embodiment of Figures 1 and 2 with an outlet ring diameter of 10 cm and a ring width of 1 cm). a value of 100 can be calculated which is obtained directly from the ratio of the areas by the same diffusion distance between the mirrors of 5 cm. The invention is not limited to the embodiments shown in the above description and figures. Thus, instead of nested conical mirror pieces, pyramids with a polygonal cross-section can also be used.

Claims

A method for controlling a light path in paper moisture meters comprising a mirror (6,24) with a conical hole (7,25) located in the vicinity of the paper web (5) to be measured and a mirror piece (8,21) on the other side of the paper web (5) and a second mirror body (9,22) surrounding it, into the channel (10,23) between which the light from the light source (1) is conducted in the form of pulses broken by a rotating perforated plate (3,20) and between which the light is reflected back and forth through the paper path (5) to diffuse for light collected by radiators of certain wavelengths to be distributed to detectors (16) and (17), the ratio of which determines the moisture content of the paper, characterized in that the mirror body (8,21) is a cone placed in a wider area of the second mirror body (9,22); 15 and a gently extending conical opening so as to form a circular cross-section or a closing polygonal cross-section of the radiation from the light source (1). a channel that contracts or expands in the furnace (10,23).

Method according to claim 1, characterized in that the focal point of the light from the light source (1) is brought from the hole (7) of the mirror (6) below the paper web (5) against the paper web, and that the diffuse reflecting diffusion between the mirror body (8) and the mirror (6) the light is collected in the channel (10) and the outlet size (11) therefrom to form a new light source therein for the detectors (16) and (17).

A method according to claim 1, characterized in that the focal point of the light from the light source (1) is applied to a rotating perforated plate (20) in the immediate vicinity of the tip of the mirror body (21), from where the light propagates into a channel (23) and a paper path (5). the diffuse light reflects between the mirror body (21) and the mirror (24) accumulating in the opening (25) where a new light source is formed for the detectors 35 (16) and (17).

Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that ordinary visible light, infrared light or ultraviolet light is used as the light.