FI97571C - Paperirainan kosteusanturi ja menetelmä rainan kosteuden säätämiseksi - Google Patents

Description

97571

Paperirainan kosteusanturi ja menetelmä rainan kosteuden säätämiseksi 5 Tämä hakemus on jakamalla erotettu hakemuksesta 880728.

Tämä keksintö koskee paperirainan kosteusanturia sekä menetelmää paperiarkin kosteuden säätämiseksi mittaamalla arkkiin kohdistettujen, eri aaltopituutta olevien infrapuna-10 säteiden läpäisevyyttä.

Kaupallisessa paperinvalmistuksessa tuotetaan paperi jatkuvasti liikkuvana arkkina, jota kutsutaan "paperirainaksi". Koska paperiraina valmistetaan nestemäisestä suspensiosta, 15 joka sisältää puumassakuituja, puuvillakuituja ja erilaisia kemikaaleja, sisältää paperiraina alunperin huomattavan määrän kosteutta. Suurin osa tästä kosteudesta poistetaan paperinvalmistusprosessin aikana. Monesta syystä on kuitenkin toivottavaa, että paperirainaan jää ainakin jonkin verran 20 kosteutta. Esimerkiksi, mikäli paperiraina on liian kuiva, on paperin reunoilla taipumus käpristyä.

Paperiraina kuivataan normaalisti johtamalla kuumien kui-vausrumpujen läpi. Tämä tekniikan avulla kuivattu paperirai-25 na kuivuu kuitenkin epätasaisesti. Tällainen epätasainen kuivuminen johtaa epätasaiseen paperin laatuun. Erilaisia laitteita on siksi kehitetty tiettyjen paperirainan osien hallittuun kostuttamiseen tai kuivaamiseen sen jälkeen, kun paperiraina on kulkenut kuivausrumpujen läpi, jotta voitai-30 siin valmistaa paperiraina, jonka kosteus on tasainen. Paperitehtaan operaattorin tai paperitehtaan prosessinvalvonta-tietokoneen on selvästikin tunnettava paperirainan kosteus-profiili ennen kuin tällaisia kostuttavia ja kuivaavia laitteita voidaan käyttää tehokkaasti. Tämän vuoksi on kehitetty 35 paperirainan kosteusantureita, jotka pyyhkäisevät edestakaisin paperirainan leveyssuunnassa määrittäen rainan kosteuden eri kohdissa.

97571 2

Vesi absorboi infrapunasäteilyä. Tietyn tyyppiset kosteus-anturit käyttävät hyväkseen tätä ilmiötä suuntaamalla infra-punasädekimpun paperirainaa kohden ja mittaamalla infrapuna-sädekimpun intensiteetin paperirainan läpäisyn jälkeen. Mitä 5 enemmän paperirainassa on kosteutta, sitä suurempi on infra-punasäteilyn absorptio.

Tietyt infrapunakosteusanturit käyttävät hyväkseen infrapu-nailmaisimia, joissa kunkin ilmaisimen edessä on infrapuna-10 kaistanpäästösuodatin. Kunkin suodattimen kaistanpäästö on valittu siten, että kukin ilmaisin vastaanottaa energiaa vain pienen infrapunaspektrin alueen osalta. Yksi suodatin valitaan siten, että se läpäisee infrapunasäteilyä alueella, jossa paperirainan veden absorptio on suuri. Tähän suodatti-15 meen liittyvä ilmaisin on siksi pääosin herkkä paperirainassa olevalle vedelle. Ensimmäinen ilmaisin vastaanottaa enemmän infrapunasäteilyä, kun paperiraina on kuiva, ja vähemmän infrapunasäteilyä, kun paperiraina on kostea.

20 Toiseen ilmaisimeen liittyvä kaistanpäästösuodatin valitaan siten, että se läpäisee infrapunasäteilyä sellaisella infra-punaspektrin alueella, jossa kosteuden aiheuttamaa absorptiota on melko vähän. Suurin osa tällä toisella infrapunaspektrin alueella esiintyvästä infrapuna-absorptiosta johtuu 25 paperirainan kuiduista, ei paperirainan kosteudesta. Tästä seuraa, että kun kuitupaino pintayksikköä kohden (ts. "pin-tapaino") kasvaa, vastaanottaa tämä toinen ilmaisin vähemmän infrapunasäteilyä. Tämän toisen ilmaisimen tulostusta voidaan käyttää kompensoimaan ensimmäisen ilmaisimen kosteus-30 mittauksia paperinarkin pintapainossa esiintyvien muutosten suhteen. Kun näiden kahden ilmaisimen tulostukset yhdistetään oikein, voidaan tämäntyyppisten kosteusanturien avulla mitata paperirainan kosteusmäärä tai paperirainan prosentuaalinen kosteus siten, etteivät arkin pintapainomuutokset 35 vaikuta kosteuden mittaamiseen.

Läpäisseen infrapunasädekimpun intensiteetti ei kuitenkaan ole pelkästään riippuvainen paperirainan kosteudesta ja pin- 3 97571 tapainosta. Kostean paperirainan infrapunasäteilyabsorptio vaihtelee myös infrapunasäteiden aaltopituuksien mukaan. Vesi ja paperirainan kuidut absorboivat infrapunaspektrin tiettyjä aaltopituuksia tehokkaammin kuin muita aaltopituuk-5 siä, joten infrapunasäteiden absorptiospektrissä esiintyy absorptiohuippuja ja -laaksoja eri aaltopituuksien kohdalla. Nämä huiput ja laskut siirtyvät lyhyeille aaltopituuksille paperirainan lämpötilan noustessa ja pidemmille aaltopituuksille paperirainan lämpötilan laskiessa. Yllä kuvatut infra-10 punakosteusanturit eivät kuitenkaan kykene kompensoimaan paperirainan lämpötilamuutosten aiheuttamia infrapuna-absorp-tiospektrin vaihteluja. Näiden laitteiden kosteusmittauksiin sisältyy tämän vuoksi merkittävä virhe.

15 Tämä keksintö käsittää laitteen paperirainan kosteuden määrittämiseksi mittaamalla paperirainan infrapunasäteilyn läpäisevyys infrapunataajuusalueen kahdella eri aaltopituus-alueella sekä tällaiseen mittaukseen perustuvan menetelmän rainan kosteuden säätämiseksi. Laite ja menetelmä ovat pää-20 osin, mutta eivät ainoastaan, tarkoitetut paperikoneen liikkuvan paperirainan jatkuvaan kosteuden mittaamiseen ja säätöön. Tämän keksinnön kosteusanturin voidaan tässä tapauksessa antaa pyyhkäistä edestakaisin liikkuvan paperirainan leveyssuunnassa (ts. paperirainan poikittaissuunnassa), jot-25 ta paperirainan kosteus voitaisiin mitata paperirainan le-: veys- ja pituussuunnassa olevissa eri kohdissa. Tähän antu riin liittyvät viestien prosessikytkennät ja tietokoneohjelmat kompensoivat automaattisesti paperirainan infrapunalä-päisevyyteen perustuvaan kosteuden mittaukseen liittyvät 30 vaikutukset, sekä pintapainosssa esiintyvät muutokset anturin ollessa epäherkkä paperirainan lämpötilalle. Keksinnön mukaisen kosteusanturin ja rainan kosteutta säätävän menetelmän tunnusmerkit ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista.

35 Tämän keksinnön infrapunasäteilykosteusanturi sisältää infrapunasäteilylähteen. Tästä infrapunasäteilylähteestä lähetetään infrapunasädekimppu liikkuvan paperirainan läpi.

97571 4

Kun sädekimppu läpäisee paperirainan, absorboivat paperirai-nan vesi ja kuidut osan infrapunasäteiden energiasta. Infra-punasädekimppu sisältää laajan aaltopituusvalikoiman. Kosteuspitoinen paperiraina absorboi kuitenkin ensisijaisesti 5 tiettyjen aaltopituuksien infrapunasäteitä.

Kosteusanturi sisältää myös infrapunavastaanottimen. Tämä vastaanotin sijaitsee infrapunalähteestä katsottuna paperirainan vastakkaisella puolella ja mittaa läpäisseen infra-10 punakimpun infrapunaspektrin kahdella erillisellä aaltopi-tuusalueella. Vastaanotin käsittää sädekimpun jakajan ja kaksi infrapunailmaisinta. Sädekimpun jakaja ohjaa kumpaankin ilmaisimeen osan infrapunasädekimpusta. Erillinen kais-tanpäästösuodatin sijaitsee ennen ilmaisinta. Kumpikin in-15 frapunailmaisimista mittaa täten vain osan läpäisseestä sä- dekimpusta, joka kuuluu kyseisen suodattimen kaistanpäästö-alueeseen.

Toinen infrapunakaistanpäästösuodattimista läpäisee ainoas-20 taan infrapunasäteilyä, jonka aaltopituudet ovat vesiabsorp-tiohuipun, joka on noin 1,93 mikronia, ympärillä. Tähän ensimmäiseen suodattimeen liittyvän ilmaisimen tulostus riippuu sen vuoksi ensisijaisesti paperirainan kosteudesta.

25 Toinen kaistanpäästösuodatin läpäisee ainoastaan aaltopituuksia alueella, joka vastaa ensisijaisesti paperikuitujen absorptioaluetta. Tämän toisen suodattimen takana olevan ilmaisimen mittaama infrapunasädekimppu antaa ensisijaisesti viitteen paperirainan pintapainosta. Tämän toisen suodatti-30 men kaistanpäästöalue voi olla paperikuitujen infrapunasä-teilyn läpäisevyyttä vastaavalla alueella, esim. n. 1,83-1,85 mikronia. Asettamalla tämän suodattimen kaistanpäästöalue tälle läpäisevyysalueelle voidaan lämpötilavaihtelujen aiheuttamat infrapunasäteiden intensiteettimittausten vaih-35 telut minimoida. Kuten jäljempänä todetaan, käytetään tämän ilmaisimen tulostusta korjaamaan ensimmäisen ilmaisimen kos-teusmittauksia arkin pintapainossa esiintyvien vaihtelujen suhteen. Tämän keksinnön avulla voidaan siis saada viesti, 5 97571 jonka avulla saadaan tietoa paperirainan kosteudesta pinta-painosssa esiintyvistä muutoksista huolimatta ja oleellisesti riippumatta paperirainan lämpötilasta.

5 Kahden ilmaisimen tulostukset yhdistetään tämän keksinnön mukaan empiirisesti määritetyn kaavan avulla siten, että saadaan tulostus, joka antaa viitteen paperirainan kosteudesta. Kuten edellä on kuvattu, tulee toisen tämän keksinnön vastaanottimen ilmaisimista tulostus riippumaan ensisijai-10 sesti infrapunasädekimppulähteen ja vastaanottimen välissä olevan paperirainan kosteuden määrästä. Tämä ilmaisin ei sen vuoksi yksinään voi antaa oikeaa tietoa paperirainan prosentuaalisesta kosteudesta, sillä ilmaisin vastaanottaa vähemmän infrapunasäteilyä, kun (1) prosentuaalinen kosteus li-15 sääntyy tai (2) kun paperirainan prosentuaalinen kosteus pysyy muuttumattomana mutta paperirainan pintapaino kasvaa. Seuraamalla vain tämän yhden ilmaisimen tulostusta ei paperitehtaan operaattori (tai paperitehtaan prosessinvalvonta-tietokone) kykene erottamaan arkin kosteuden lisääntymistä 20 ja pintapainon kasvua toisistaan. Toiseen ilmaisimeen kuuluvat suodattimet valitaan kuitenkin siten, että ilmaisimen tulostus vaihtelee pääosin pintapainovaihtelujen mukaan. Yhdistämällä ensimmäisen ilmaisimen tulostus painotetun keskiarvon mukaan toisen ilmaisimen tulostuksiin, voidaan tu-25 loksena saatua yhdistelmää käyttää paperirainan kosteuden arvioimiseen siten, että tämä arvio on riippumaton sekä paperirainan lämpötila- että pintapainovaihteluista.

Ilmaisinten tulostusten yhdistämiseen käytetyn kaavan ker-30 toimet riippuvat esim. kaistanpäästösuodattimien tarkoista sijainneista absorptiospektrissä sekä näiden kaistanpäästö-alueiden leveydestä. Näiden kertoimien tarkat arvot voidaan määrittää empiirisesti mittaamalla kummankin ilmaisimen tulostukset lukuisilla pintapaineilla, minkä jälkeen valitaan 35 kertoimet kaavaan, joka yhdistää nämä tulostukset siten, että tuloksena saadun tulostusten painotetun keskiarvon läm-pötilaherkkyys minimoidaan.

97571 6

Sen sijaan, että käytetään hyväksi kahta erillistä infrapu-nailmaisinta ja sädekimpun jakajaa, voi kosteusanturin vas-taanotinpuoli koostua yhdestä infrapunailmaisimesta ja mekanismista, jonka avulla kumpikin edellä kuvattu kaistanpääs-5 töanturi vuorollaan sijoitetaan yksittäisen ilmaisimen eteen. Tällä kokoonpanolla määritetään ilmaisimen tulostus eri aikoina, jotka vastaavat aikoja, jotka kumpikin suodatin on infrapunasädekimpun kulkuväylässä. Ilmaisimen tulostukset, jotka vastaavat aikoja, jotka kumpikin suodatin sijaitio see ilmaisimen edessä, yhdistetään edellä kuvattua, kahdesta ilmaisimesta koostuvaa suoritusmuotoa vastaavalla tavalla, jotta saataisiin kosteudenmittausanturi, joka ei ole herkkä paperirainan lämpötilamuutoksille.

15 Kuvio 1 esittää tämän keksinnön mukaisen kosteusanturin, joka ei ole herkkä paperirainan lämpötilalle.

Kuvio 2 esittää kosteuspitoisen, keskivertopainoisen paperirainan infrapunaläpäisyspektrin.

20

Kuvio 3 esittää kostean, raskaan paperirainan infrapuna-läpäisyspektrin.

Seuraavassa kuvataan tällä hetkellä parhaaksi katsottua ta-25 paa käyttää keksintöä. Kuvauksen tarkoituksena on valaista keksinnön yleisiä periaatteita samanaikaisesti kuitenkin keksintöä rajoittamatta. Keksinnön tarkoitus käy parhaiten ilmi oheisista patenttivaatimuksista. 1 2 3 4 5 6 Tämä keksintö käsittää kuviossa 1 esitetyn infrapunakosteus- 2 anturin 10. Tätä laitetta käytetään mittaamaan paperirainan 3 12 kosteus ja kompensoimaan tätä mittausta automaattisesti 4 paperirainan 12 pintapainovaihtelujen suhteen. Kuviossa 1 5 esitetty laite käyttää mittauksen toteuttamiseen anturia 14, 6 jonka voidaan kuvitella koostuvan kahdesta osasta, lähetin-osasta 16 ja vastaanotinosasta 18, jotka sijaitsevat paperirainan 12 vastakkaisilla puolilla.

97571 7

Infrapunalähde 16 käyttää hehkulamppua 20 ja soikeaa heijastinta 22 johtaakseen infrapunasädekimpun 24 liikkuvan pape-rirainan 12 läpi. On edullista, mutta ei keksinnön kannalta välttämätöntä, että lähteestä 16 lähtevä infrapunasäteilyn 5 määrä ja säteily paperirainaan 12 moduloidaan tiettyyn taa-juteen. Tämä modulointi voidaan toteuttaa millä tahansa käytettävissä olevalla laitteella. Esimerkiksi, kuten kuviossa 1 on esitetty, voidaan ääniraudan 26 kärjet 28 sijoittaa infrapunasädekimpun 24 kulkuväylään. Värähtelevät kärjet 28 10 moduloivat infrapunasädekimpun 24, kun kärjet 28 liikkuvat joko sädekimpun 24 kulkuväylän eteen tai pois siitä. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää läpinäkyvää levyä (ei kuviossa) , jossa on lukuisia tasaisesti jakautuneita säteensuun-taisia rakoja ja jonka annetaan pyöriä sädekimpun kulkuväy-15 Iällä siten, että sädekimppu joko kulkeutuu rakojen läpi tai törmää levyn läpinäkyvään osaan. Kummankin laitteen tapauksessa moduloidaan sädekimppu 24 tunnetulla taajuudella. Syy sädekimpun moduloimiseen selostetaan jäljempänä.

20 Kuviossa 1 esitetyssä suoritusmuodossa on edullista, mutta ei keksinnön kannalta välttämätöntä, että sädekimppu voidaan heijastaa edestakaisin anturin 14 lähdepuolen 16 ja vastaan-otinpuolen 18 välillä ennen kuin se saapuu vastaanottimeen 18. Infrapunasädekimpun 24 toistuva heijastaminen lähteen 16 25 ja vastaanottimen 18 välillä siten, että sädekimppu kulkeutuu lukuisia kertoja paperirainan 12 läpi, antaa tiettyjä etuja erittäin kevyiden paperien, kuten silkkipaperin, ja erittäin raskaiden paperilaatujen kosteuden mittaamisessa. Moninkertaisen heijastamisen etuja käsitellään tarkemmin US-30 patentissa 3 793 524, johon tässä viitataan ja jonka hakija on sama kuin tämän keksinnön. Sädekimppu 24 voidaan vaihtoehtoisesti ohjata suoraan yhtenä sädekimppuna lähteestä 16 vastaanottimeen 18 siten, että sädekimppu 24 läpäisee paperirainan 12 vain yhden kerran.

35 Tämän keksinnön vastaanotinosa 18 käsittää sädekimpun jakajan 30, joka jakaa infrapunalähteesta 16 tulevan sädekimpun 24 kahdeksi sädekimpuksi, 32 ja 34. Kumpikin sädekimppu koh- 8 97571 distetaan erillisiin kaistanpäästösuodattimiin 40 ja 42, jotka sijaitsevat kunkin kahden sädekimpun kulkuväylällä välittömästi ennen lyijysulfidi-ilmaisimia 36 ja 38. Kukin suodatin 40 ja 42 valitaan siten, että se läpäisee tietyn 5 osan infrapunakaista-alueen infrapunasäteilystä. Suodattimien 40 ja 42 kaistanpäästöalueen ulkopuolelle jäävä säteily heijastuu näiden suodattimien kautta takaisin sädekimpun jakajaan 30 (esitetty kuviossa viitenumeroilla 44 ja 45) eikä täten saavuta näitä vertaus- tai mittausantureita 36 ja 10 38. Tämän keksinnön mukaisessa kosteusanturissa kohdistetaan siis yksittäinen sädekimppu vastaanottimeen 18, mutta vastaanottimen optiikka jakaa sädekimpun kahdeksi erilliseksi sädekimpuksi 32 ja 34, jotka kumpikin mitataan eri infra-punailmaisimessa 36 ja 38.

15

Kummankin suodattimen 40, 42 kaistanpäästöalue valitaan siten, että kumpaankin ilmaisimeen 36, 38 saapuvan säteilyn aaltopituus ja sen myötä myös ilmaisimen viesti riippuu pa-perirainan pintapainosta ja paperirainan kosteudesta. Käyt-20 tämällä näitä kahta viestiä ja jäljempänä kuvattuja yhtälöitä laskee prosessinvalvontatietokone 50 jaksottain paperirainan 12 kosteuden. Kun lisäksi anturin 14 annetaan pyyhkäistä paperitehtaassa valmistettavan liikkuvan paperirainan 12 yli edestakaisin, voi tämän keksinnön mukainen laite muo-25 dostaa viestejä, jotka antavat viitteen paperirainan 12 kosteudesta sen eri pituus- ja leveyssuuntaisissa kohdissa. Näitä kosteusmittauksia voidaan käyttää hyväksi erilaisten tunnettujen laitteiden 51 selektiivisessä valvonnassa lisäämään ja vähentämään paperirainan 12 eri osien kosteutta, 30 jolloin saadaan paperiraina 12, jonka kosteus on tasainen sekä leveys- että pituussuunnassa.

Kosteusmittausten tulosten perusteella voidaan kosteuden korjaus toteuttaa manuaalisesti. Useat nykyaikaiset paperi-35 tehtaat ovat kuitenkin hyvin pitkälle automatisoituja. Näissä tehtaissa syötetään tämän keksinnön anturista 18 saadut viestit keskitettyyn prosessinvalvontatietokoneeseen 50, joka laskee paperirainan kosteusprofiilin infrapunaiImaisi- 9 97571 mistä 36, 38 saatujen viestien perusteella, ja tuloksesta riippuen, aktivoi selektiivisesti jonkin lukuisista tunnetuista laitteista 51, jonka tehtävänä on muuttaa paperirai-nan 12 tiettyjen osien kosteuspitoisuutta. Paperirainan kos-5 teusprofiilin muuttamiseen voidaan käyttää useita laitteita, käsittäen laitteet, kuten selektiivisesti hallittavat vesisuihkut paperirainan 12 tiettyjen osien kosteuden lisäämiseksi ja infrapunalämmittimet paperirainan 12 tiettyjen osien selektiiviseen kuivaamiseen.

10

Kuvioissa 2 ja 3 esitetään kosteuspitoisten keski- ja ras-kaspainoisten paperirainojen infrapunaläpäisyspektrit 101. Kuten kuviossa 2 esitetään parhaiten, on infrapunasäteilyn absorptio tietyillä aaltopituuksilla tehokkaampaa kuin toi-15 silla aaltopituuksilla. Spektrin lyhyemmillä aaltopituuksilla, ts. alle noin 1,9 mikronia, tapahtuva absorptio riippuu pääosin paperirainan kuitujen absorptiosta. Spektrin pidemmillä aaltopituuksilla, yli noin 1,9 mikronia, absorboi vesi sitä vastoin tehokkaammin infrapunasäteilyä kuin paperirai-20 nan kuidut. Paperirainan kosteuspitoisuus vaikuttaa siis pääosin spektrin pidemmistä aaltopituuksista koostuvaan osaan. Esimerkiksi veden absorptiohuippu (joka vastaa pienintä infrapunaläpäisyä) saavutetaan noin 1,93 mikronin aaltopituudella. Paperirainassa oleva vesi absorboi kuitenkin 25 koko infrapunaspektrin alueella, ainakin jossakin määrin.

Veden ja paperin infrapuna-absorptiospektri on erikoinen siinä suhteessa, että koko spektrin absorptio-ominaisuudet siirtyvät lyhyemmille aaltopituuksille paperirainan lämpöti-30 lan noustessa ja pidemmille aaltopituuksille paperirainan lämpötilan laskiessa. Kostean paperiarkin infrapunaspektri korkeissa lämpötiloissa on kuvattu katkoviivalla 102 kuvioissa 2 ja 3. Näissä kuvioissa oleva jatkuva viiva kuvaa samoja absorptio-ominaisuuksia, mutta pidemmillä aaltopituuk-35 silla, sillä paperirainan lämpötila on alempi kuin katkoviivalla 102 kuvatun spektrin.

97571 10 Tämän keksinnön tekniikalla, infrapunakaistanpäästösuodatti-mella 42 (kuvio 1) ja ilmaisimella 38 on kaistanpäästöalue 112 absorptiohuipun 106 (1,93 mikronia) ympärillä. Tällöin mittausilmaisimen 3 8 viesti riippuu suuressa määrin paperi -5 rainan 12 kosteudesta, mutta on oleellisesti riippumaton rainan lämpötilasta. Ilmaisimen viesti (jota tämän jälkeen kututaan MES-viestiksi) antaa karkean arvion paperirainan kosteudesta.

10 Kuten edellä on mainittu, vaikuttaa paperirainan 12 pinta-paino myös infrapuna-absorptiospektriin. Jotta saataisiin viesti, joka on pääosin riippuvainen paperirainan 12 pinta-painosta, sijoitetaan kaistanpäästösuodatin 40 ennen ver-tausviesti-ilmaisinta 36. Tämän suodattimen 40 kaistanpääs-15 töalue 110 (kuviot 2 ja 3) sijaitsee infrapunaläpäisyspektrin 101 sellaisella alueella, jolla paperirainan kuidut pääosin absorboituvat. Esimerkiksi tässä edullisessa suoritusmuodossa on kaistanpäästösuodattimen 40 kaistanpäästöalue aaltopituuksien noin 1,7 ja 1,9 mikronin välillä. Tähän suo-20 dattimeen 40 liittyvä ilmaisin 36, jota kutsutaan ver- tausviesti-ilmaisimeksi, antaa tulostuksen, jonka amplitudi riippuu pääosin paperirainan 12, jonka läpi infrapunasäde-kimppu 24 kulkeutuu, paperikuitujen massasta pintayksikköä kohden. Kun paperirainan pintapaino kasvaa, vähenee paperi-25 rainan 12 läpäisevän infrapunasäteilyn määrä. Tästä ver- tausilmaisimesta 36 saatua viestiä (jota tämän jälkeen kutsutaan "REF"-viestiksi), kuten jäljempänä kuvataan, käytetään kompensoimaan mitattua kosteusarvoa paperirainan 12 pintapainomuutosten suhteen. On oleellista, että suodattimen 30 40 kaistanpäästöalue sijaitsee sellaisessa infrapuna-absorp- tiospektrin osassa, johon paperirainan kuidut pääosin vaikuttavat (ts. alle 1,9 mikronia), mutta joka ei ole herkkä paperirainan lämpötilavaihteluille, esimerkiksi lähellä kuviossa 2-3 esitettyä läpäisyhuippua 107, noin 1,83-1,85 mik-35 ronia.

Kuten aiemmin on mainittu, moduloivat ääniraudan 26 kärjet 28 infrapunalähteen 16 infrapunaenergian sinimuotoiseksi.

11 97571

Kummankin infrapunailmaisimen 36, 38 tulostus moduloidaan siis sinimuotoiseksi samalla taajuudella ja samassa vaiheessa kuin mitatut infrapunasädekimput 32, 34. Paperirainasta 12 itsestään ja muista ulkopuolisista lähteistä (ei kuvios-5 sa) tulee myös infrapunaenergiaa ilmaisimiin 36, 38. Kukin ilmaisinviesti sisältää siis myös DC-komponentin.

Kummankin ilmaisimen 36, 38 tulostukset siirretään viestin-prosessointipiiriin 52. Tämä piiri on suunniteltu siten, 10 että se suodattaa pois DC-komponentin ilmaisinviesteistä.

Suodatetut ilmaisinviestit johdetaan vaihesynkronoivaan de-modulointipiiriin, joka sisältyy viestinprosessointipiiriin 52. Vaihesynkronoivan demodulaattorin tarkoituksena on suodattaa pois ilmaisimien 36, 38 viestien muutokset, jotka 15 eivät johdu paperirainan 12 vaihtelevasta infrapuna-absorptiosta. Esimerkiksi 60 Hz:n linjahurina ilmaisinviesteissä suodatetaan pois demodulaattoripiirissä, kuten jäljempänä kuvataan.

20 Merkkiaalto-oskillaattori 54 käyttää ääniraudan 26 kärkiä 28 ääniraudan resonanssitaajuudella. Tämän merkkiaalto-oskillaattorin 54 tulostus konvertoidaan ensin suorakulmaiseksi aalloksi, jonka taajuus ja vaihe ovat samat kuin äänirautaa 26 käyttävien merkkiaaltojen. Suorakulmaisen aallon tulostus 25 53 syötetään viestinprosessointipiirin 52 vaihesynkronoivaan demodulaattoriosaan yhdessä kustakin infrapunailmaisimesta 36, 38 saatujen viestien kanssa. Infrapunailmaisimien 36, 38 viestit moduloidaan tietenkin samalla taajuudella ja samassa vaiheessa kuin oskillaattorin 54 tulostus. Demoduloimalla 30 kunkin ilmaisimen 36, 38 tulostukset suorakulmaisella aallolla, jonka taajuus ja vaihe ovat samat kuin äänirautaos-killaattorin 54 tulostus, ja laskemalla useamman demolu-doidun tulostuksen keskiarvo, suodattaa tämän keksinnön mukainen kosteusanturi 10 pois ilmaisinviesteissä esiintyvät 35 muutokset, jotka johtuvat ulkopuolisten infrapunasädelähtei-den intensiteetin muutoksista tai ulkopuolisista viesteistä, kuten 60 Hz:n verkkojännitteestä. Tämä suodatustekniikka, jossa käytetään vaihesynkronoivaa demodulointipiiriä, on 12 97571 hyvin tunnettu. Ulkopuolisista lähteistä tai verkkojännit-teestä ilmaisimiin 36, 38 tulevan infrapunaenergian intensiteetin muutokset aikaansaisivat tietenkin virheellisen kosteusmittauksen.

5

Kustakin ilmaisimesta tulevan kunkin demoduloidun viestin keskimääräinen amplitudi antaa viitteen paperirainan läpäisseen infrapunasäteilyn määrästä kuhunkin ilmaisimeen liittyvän suodattimen kaistanpäästöalueen puitteissa. Keskimää-10 räisten amplitudien ja demoduloitujen ilmaisinviestien amplitudi mitataan viestinprosessointipiirissä, digitalisoidaan ja syötetään prosessinvalvontatietokoneeseen 50. Tämä tietokone 50 laskee paperirainan 12 kosteuden käyttäen hyväksi jäljempänä kuvattuja yhtälöitä ja menetelmiä. Laskennan tu-15 loksena saatu paperirainan kosteusarvo antaa viitteen paperirainan 12 kosteudesta paperirainan lämpötilasta ja pinta-painosta riippumatta.

Tietokone yhdistää digitalisoidut ilmaisinamplitudiviestit, 20 jotta saataisiin paperirainan 12 kosteutta indikoiva, jonkin usean yhtälön mukainen tulostus. Nämä yhtälöt yhdistävät kunkin ilmaisinviestin amplitudeja indikoivat arvot, jotta saataisiin näiden kolmen arvon painotettu keskiarvo. Näiden yhtälöiden painottavat kertoimet ovat riippuvaisia kunkin 25 suodattimen kaistanpäästöalueen leveydestä ja sijainnista absorptiospektrissä 101. Kertoimien arvot valitaan empiirisesti, jotta saataisiin ilmaisinviestiarvojen painotettu keskiarvo, joka on mahdollisimman epäherkkä lämpötilan ja pintapainon vaihteluille. Eräs tämänhetkinen edullinen kos-30 teuden laskenta tehdään seuraavasti:

Veden suhdeluku Rl, joka on karkea arvio veden painosta paperirainan pintayksikköä kohden, saadaan kaavasta Rl = REF/MES. REF- tai vertausarvo, kuten edellä on mainittu, on 35 pääosin herkkä paperirainan pintapainon suhteen, kun sen sijaan MES- tai mittausarvo on pääosin herkkä paperirainan kosteuden suhteen. Suhdeluku Rl indikoi paperirainan kos-teusmäärää, mutta ei ole lainkaan herkkä paperirainan lämpö- li 13 97571 tilan suhteen. Kuviossa 2 esitetyssä tapauksessa REF-suodatin sijaitsee lähellä 1,85 mikronia ja MES-suodatin lähellä 1,93 mikronia.

5 Prosessinvalvontatietokone 50 voi laskea veden painon pinta-yksikköä kohden minkä tahansa edellä mainitun kaavan mukaan käyttämällä lineaarista yhtälöä WW = A*R1 + D, jossa A ja D ovat lineaarisen yhtälön määrittämän käyrän kaltevuus ja korkeuserotus ja WW on arkin veden paino pintayksikköä koh-10 den. Paperiarkin prosentuaalinen kosteus voidaan laskea tästä viimeisestä yhtälöstä käyttämällä paperirainan pintayk-sikkökohtaisen painon apumittausta, BW. Paperirainan prosentuaalinen kosteus lasketaan siis prosessinvalvontatietoko-neen 50 avulla kertomalla 100*WW/BW.

15

Kuten mainittiin, valitaan keksinnössä mittausilmaisimeen liittyvä ensimmäinen kaistanpäästöalue siten, että se läpäisee infrapunasäteilyä infrapunaspektrin siinä osassa, joka on keskitetty suunnilleen veden infrapuna-absorptiohuipun 20 kohdalle, ts. noin 1,93 mikronin kohdalle. Esimerkiksi, kun paperirainan lämpötila kasvaa, kasvaa tällöin mitatun infra-punasäteilyn intensiteetti suodattimen kaistanpäästöalueen pitkän aaltopituuden puolella, kun mitattu infrapunasäteily pienenee suunnilleen vastaavalla määrällä kaistanpäästöalu-25 een vastakkaisella, lyhyen aaltopituuden puolella. Tämän tekniikan ansiosta on koko mittausilmaisimeen tulevan infra-punasäteilyn määrä, ja sen myötä myös MES-viesti, suhteellisen epäherkkä paperirainan lämpötilalle. Vertausilmaisinta käytetään kuitenkin edellä kuvatulla tavalla, jotta saatai-30 siin viesti prosessinvalvontatietokoneeseen, joka indikoi paperirainan paperikuidun määrää pintayksikköä kohden.

Nykyaikaisen automatisoidun paperitehtaan prosessinvalvontatietokone voi keksinnön avulla mitata liikkuvan paperirainan 35 kosteuden lukuisissa kohdissa paperirainan pituus- ja leveyssuunnassa. Kosteusmittaukset kompensoidaan paperirainan pintapainovaihtelujen suhteen. Paperitehtaan prosessinvalvontatietokone voi näiden pintapainokompensoitujen mittaus- 14 97571 ten avulla selektiivisesti aktivoida erilaisia ennestään tunnettuja laitteita paperirainan eri osien kosteuden lisäämiseksi tai vähentämiseksi, jotta voitaisiin tuottaa korkealaatuista paperia, jonka kosteus on tasainen. Kuten edellä 5 on mainittu, voidaan esimerkiksi vesisuihkuja ja infrapuna-lamppuja käyttää paperirainan kosteuden valvomiseen.

Alalla toimiva henkilö ymmärtää edellä esitetystä, että optisesta järjestelmästä ja tässä kuvatuista prosesseista voi-10 daan tehdä useita muunnelmia keksinnön sisällöstä ja tarkoituksesta kuitenkaan poikkeamatta.

Claims (4)

15 97571

1. Paperirainan kosteusanturi, joka ei ole herkkä paperi -rainan lämpötilalle ja joka käsittää infrapunasäteilylähteen (16) infrapunasädekimpun (24) johtamiseksi paperirainan (12) 5 läpi, tunnettu siitä, että anturi käsittää lisäksi ilmaisimen (18; 30, 40, 42, 48; 36, 38, 46) läpäisevän sädekimpun infrapunasäteilyn määrän ilmaisemiseksi ensimmäisellä (112) ja toisella (110) infrapunaspektrin (101) aallonpituusalueella, jossa mainittu ensimmäinen alue (112) sijaitsee veden 10 infrapuna-absorptiohuipun (106) ympärillä, ja on valittu si ten, että rainan lämpötilan muuttuessa alueen yläosasta ilmaistun pitempiaaltoisen infrapunasäteilyn määrän ja alueen alaosasta ilmaistun lyhyempiaaltoisen infrapunasäteilyn määrän keskenään vastakkaiset muutokset oleellisesti kompensoi-15 vat toisensa, jolloin rainan (12) tällä alueella läpäisseen infrapunasäteilyn intensiteetti on oleellisesti riippumaton rainan lämpötilasta, ja toinen alue (110) muodostuu infrapu-nasäteilystä, joka on pääosin herkkä infrapunasädekimpun (24) kulkuväylällä olevalle paperikuidun määrälle. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen paperirainan kosteusanturi, tunnettu siitä, että ensimmäinen alue (112) sijaitsee 1,93 mikronin ympärillä ja toinen alue (110) sijaitsee aallonpituusalueella noin 1,83-1,85 mikronia. 25

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen paperirainan kosteusanturi, tunnettu siitä, että se käsittää elimet (50) rainan (12) kosteuspitoisuuden laskemiseksi käyttäen infrapunaspektrin (101) ensimmäiseltä (112) ja toiselta (110) alueel- 30 ta ilmaistua infrapunasäteilyn määrää.

4. Menetelmä paperirainan (12) kosteuden säätämiseksi, jossa (a) johdetaan infrapunasädekimppu (24) paperirainan (12) 35 läpi, ja (b) siirretään sädekimppua (24) rainan (12) suhteen, tunnettu siitä, että 97571 16 (c) mitataan, lukuisissa paperirainan (12) kohdissa, paperi -rainan (12) läpäisseen infrapunaenergian määrä ensimmäisellä (112) ja toisella (110) infrapunaspektrin (101) erillisellä alueella, joista ensimmäinen alue (112) sijaitsee veden in- 5 frapuna-absorptiohuipun (106) ympärillä ja ensimmäisen alu een aallonpituuksien ylä- ja alarajat valitaan siten, että rainan lämpötilan muuttuessa alueen yläosasta ilmaistun pi-tempiaaltoisen infrapunasäteilyn määrän ja alueen alaosasta ilmaistun lyhyempiaaltoisen infrapunasäteilyn määrän keske-10 nään vastakkaiset muutokset oleellisesti kompensoivat toisensa, jolloin tällä alueella paperirainan (12) läpäisseen infrapunaenergian määrä on riippumaton paperirainan lämpötilasta, ja joista toinen alue (110) sijaitsee infrapunaspektrin (101) sellaisessa osassa, jossa pääosin paperikuidut 15 absorboivat; (d) lasketaan, tietokoneen (50) avulla, paperirainan (12) eri kohtien kosteus käyttämällä infrapunakaistan ensimmäisen (112) ja toisen (110) alueen infrapunaläpäisymittauksia; ja (e) muutetaan ainakin yhden paperirainan (12) osan kosteutta 20 (51) paperirainan eri kohtia varten laskettujen kosteuspi toisuuksien perusteella.