JP2008541119A - 含水量を計測するための方法および計測器 - Google Patents

Abstract

抄紙機のワイヤセクションにおけるウェブの含水量を計測するために、少なくとも１つの高周波作動される共振子センサ（６００から６１８）が、その中においてウェブ（４０２）が各共振子センサ（６００から６１８）の共振周波数に影響を及ぼす近傍電界を形成する。ウェブ（４０２）の含水量が、計測ユニット（６６２）中で各共振子センサ（６００から６１８）の共振周波数の関数として計測される。

Description

本発明は、抄紙機のワイヤセクションにおけるウェブの含水量を計測するための方法および計測器に関する。

ペーパウェブの含水量の精密な計測により、抄紙機の精密な調整が可能となり、良質の紙を製造することが可能となる。仮に調整に失敗すると、ペーパウェブは、その性質面において不均一になり、品質面において低いものとなる。特にワイヤセクションにおいては、マシン流れ方向（ＭＤ）の関数として排水量を計測することが可能である。

含水量が、しばしばガンマ放射線を使用して計測される。同計測においては、放射線源が、ウェブへガンマ放射線を放射し、そこからガンマ放射線は散乱しセンサへ戻り、またはウェブを通ってセンサへ進む。ワイヤの密度と、製紙で使用される繊維および添加物などの密度と、水の密度とが、計測結果に影響を及ぼす。ウェブがワイヤセクション中を移動するに従い水量が減るため、したがって計測結果における水密度の影響は次第に減少する。したがって、計測結果の変化は、水量における変化、すなわちマシン流れ方向へのワイヤセクション中の水の排水における変化を示す。

しかし、この解決法は問題点を伴う。ガンマ放射線は電離放射線であり、これは計測器付近の人々に有害である。さらに、放射線の影響圏は広範であるため、狭い場所でガンマ放射線を使用することは無分別である。また、ガンマ線源をある場所または国から他へ移すことは、ガンマ線源はスイッチを切るようなことが不可能であるため、安全規定により困難である。

また、超音波技術が、水量および排水の計測において使用されてきた。しかし、超音波計測は、特に低含水量ではあまり精密ではなく、またウェブ中の空気が計測を大きく妨害する。

本発明の１つの目的は、改善された方法と、方法を実施する計測器とを提供することである。これは、抄紙機のワイヤセクションにおけるウェブの含水量を計測するための方法により実現される。方法は、その中でウェブが共振子センサの共振周波数に影響を及ぼす近傍電界を、少なくとも１つの高周波作動される共振子センサを用いて形成することと、各共振子センサの共振周波数の関数としてウェブの含水量を計測することとを含む。

また、本発明は、抄紙機のワイヤセクションにおけるウェブの含水量を計測するための計測器に関する。計測器は、少なくとも１つの電気的に作動される高周波の共振子センサと、計測ユニットとを備え、計測の際に、共振子センサのそれぞれは、その中において計測中に計測対象が各共振子センサの共振周波数に影響を及ぼす近傍電界を形成するようになされ、計測ユニットは、少なくとも１つの共振子センサの共振周波数の関数として計測対象の含水量を計測するようになされる。

本発明の好ましい実施形態が、従属クレーム中で開示される。
本発明の方法および計測器は、いくつかの利点を提供する。計測器は精密であり、安全性に関するいかなる問題も有さない。また計測器の放射線は、制御が容易である。

以下、本発明が、好ましい実施形態を用いて、および添付の図面を参照して、より詳細に説明される。

高周波電界を表す方程式が双極子またはエミッタにもとづき作成されると、間近では高い距離力が、および遠方では低い距離力が、電界式の値を決定することが認められる。この事象は、概して距離の関数としてエミッタの電界Ｅを表す例示の方程式により示されることが可能である。

ここで、ｉは添え字、Ｍは最高必要力、Ａ_ｉは必要係数、ｋは波数でｋ＝２π／λであり、ここでλは放射波長、πは一定でπ≒３．１４１５９２６であり、Ｒはエミッタからの距離である。距離Ｒが小さい、すなわちこれが近傍界（ｋＲ＜１）である場合には、合計式は（ｋＲ）^−Ｍの項により左右され、力Ｍの値はしばしば２または３である。距離Ｒが大きい、すなわちこれが遠方界（ｋＲ＞１）である場合には、合計式は（ｋＲ）^−１の項により左右される。したがって、近傍電界は、静電双極子の電界に類似する。また、以下のように、遠方界と近傍界との間の境界Ｂが、エミッタの孔の寸法Ｄ（アンテナの直径など）および波長λを用いて上記のものよりもさらに精密に定義されることが可能となる。

このケースにおいては、エミッタからの距離が同一か、またはＢよりも短い電界が、近傍界内にある。それに対応して、エミッタからの距離がＢよりも長い電界が、遠方界内にある。

提示された解決法において、１つの目的は、センサとして作動するエミッタまたはむしろ共振器が、遠方界において放射せず、少なくともあまり放射せず、その全体または共振子構造体の外部の主要部分についての電界が近傍界である、ということである。遠方界は、共振子センサの構造を用いて限定されることが可能である。この方法により、共振子センサは他のデバイスまたは共振子センサを妨害しない。

次に、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、共振子センサの構造を確認する。図１Ａは、共振子センサの上面図であり、図１Ｂは、共振子センサを側方から示す。共振子センサ１００が、例えば回路基板の金属被覆であってよい金属板１０４中に放射スロット１０２を有してよい。湾曲したスロット１０２は、（ほぼ）円形状を形成しても良く、その場合それが遠方界へ放射する電界は、（ほぼ）完全に相殺される。また、スロット１０２の中心線は、区分的に線形である曲線を形成してもよい。また、スロット１０２の中心線は、例えば連続導関数を有する非一次関数で、連続的に湾曲する曲線を形成してよい。また、スロットの中心線は、湾曲した非自己交差曲線を表す。したがって、図中に矢印で描かれた電界ベクトルの合計は、（ほぼ）ゼロである。図１Ａおよび図１Ｂにおいて、上方向の電界ベクトルのみが、逆ベクトルを有さず、したがって、共振子センサはある程度放射する。金属板１０４に、電気的に絶縁された層１０６があってよく、これはガラスであってよい。所望されるように、高周波信号用の入力および受信ポート１０８、１１０が配置されてよい。計測される水層１１２が、計測の際にセンサ１００上にある。近傍電界の力線が、共振子センサから始まりスロットの端部へ湾曲するように描かれることが可能である。力線は、水層１１２を通り抜ける。

図２Ａおよび図２Ｂが、円形または角形であってよい導波管を有する異なる共振子センサ１００を示す。底部において短絡を生じる共振子センサの外殻２００が、金属製または他の導電性材料製でよく、外殻の内部には、プラスチックまたはセラミックなどの電気絶縁材２０２があってよい。計測される水層１１２が、計測の際にセンサ１００上にある。次いで、近傍電界の力線が、共振子センサの中央から始まり外殻２００へ向かって湾曲するように描かれることが可能である。この種類の共振子センサ１００は遠方界を決して形成せず、したがって電磁放射線を放射しない。円形断面を有する共振子センサは、非放射波形ＴＭ_０１で作動してよく、矩形または正方形の断面を有する共振子センサは、非放射波形ＴＭ_１１で作動してよい。共振子センサ１００の底部２０４は、外殻２００の残りの部分におけるのと同じ材料であってよい導電性材料から形成されてよい。

図２Ｂは、近傍電界の力線を上方から示す。高周波信号用の入力および受信ポート１０８、１１０が、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、共振子センサの中央および端部に配設されてよい。

図２Ｃは、矩形の共振子センサ２１０および正方形の共振子センサ２１２を示す。図に見られるように、電界を表す各電界ベクトルについて逆ベクトルがあり、そのため遠方界はない。

図３Ａおよび図３Ｂは、同軸共振器であるさらに他の可能な共振子センサ１００を示す。この解決法において、共振子センサの中央部には、金属または他の導電性材料３００がある。導電性の中央部３００の周囲に、プラスチックまたはセラミックなどの絶縁材３０２がある。次いで、同軸共振器の外方リム３０４が、中央部３００と同様の態様で、導電性材料から形成される。同軸共振器の底部が、中央部３００および外方リム３０４におけるものと同じ材料であってよい導電性材料３０６に短絡される。この解決法においても、近傍電界の力線は、共振子センサの中央部から始まり端部へ湾曲するように描かれることが可能である。この種類の共振子センサ１００は遠方界を形成せず、したがって電磁放射線を放射しない。

図３Ｂは、近傍電界の力線を上方から示す。
図４は、共振子センサ１００の動作を示す。この実施例において、計測される水層は、ワイヤ４００およびウェブ４０２の両方の中に含まれる。共振子センサから近傍電界が、使用される波長でワイヤ４００およびウェブ４０２の両方を貫通して伸びるが、その理由は、計測が、共振子センサ１００とウェブ４０２との間の距離が共振周波数の波長よりも短い近傍界内で行われるためである。したがって、近傍電界は、ワイヤ４００、ウェブ４０２、およびそれらの中の水と相互作用し、そのため共振子センサ１００の共振周波数は、ワイヤ４００、ウェブ４０２、および水量（これらのうち水量だけが変動する）に左右される。共振子センサは、共振周波数について全探査（ｓｗｅｅｐ ｓｅａｒｃｈ）しないが、共振子センサは、とりわけワイヤ、ウェブおよび水量により影響されるその特性により、自動的に共振周波数を発見し、それを自動追跡する。したがって、共振子センサは、共振を自動追跡する自励振動発振器にもとづくと考えられることが可能である。

図５は、水量の関数として共振周波数の２つの異なる計測を示す。鉛直軸が、共振子センサの減衰をデシベル尺度で示し、水平軸が、３００〜６００ＭＨｚの高周波数を示す。曲線５００が、共振子センサの上面上の層が５ｍｍ厚（またはこれに相当する）である状態を示し、曲線５０２が、水がない状態を示す。曲線の最大値は、共振周波数を指し、この図において水に関する共振周波数は、ほぼ４４０ＭＨｚであり、水がない状態では４９０ＭＨｚである。

図６は、一連の共振子センサが、ウェブの下に横方向（ＣＤ）に配置される解決法を示す。ライン中の共振子センサ６００〜６１８の共振周波数は、それらの上面上のワイヤ４００およびウェブ４０２に結び付けられた水量に左右される。増幅器６２０〜６３８が、共振子センサへ共振に必要とされる電力を供給し、例えば分割器６４０〜６５８へ方向性結合器（図面に図示せず）により伝送されることが可能である共振周波数信号を増幅させる。増幅器および共振子センサの各組合せが、水量に左右される特定の周波数で振動する発振器を形成する。分割器６４０〜６５８は、信号周波数をより小さいものへ分割する。分割器６４０〜６５８は、１よりも高い実数であるＮで周波数を分割する場合に、各分割器が１パルスを共振周波数ｆ_ｒに比べてより低い周波数でＮ回伝送するように作動してよい。Ｎはしばしば整数である。計数器６６０が、計数器６６０で受信されたパルス数を、所定の時間Δｔ内で算出してよい。パルスの周波数ｆ_ｐが、ｆ_ｒ／Ｎであり、そこでｆ_ｒは共振周波数である。１つの共振子センサにおける所定の時間Δｔ内のパルス数ＰＭは、ＰＭ＝Δｔ・ｆ_ｐである。所定の時間Δｔは、所定の時間内の計数器にとって適切なパルス数を受信するように、周波数分割、すなわちＮへ調整されることが可能である。パルスが数十または数百キロヘルツの周波数ｆ_ｐで届くような数Ｎで、共振周波数ｆ_ｒを分割する場合、計数器の所定の時間Δｔは、例えば数ミリセカンドまたは数十ミリセカンドであってよい。共振子センサの共振周波数は、例えば１００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚであってよい。Ｎは、１０，０００〜１０，０００，０００であってよい。計数器６６０が、多数のパルスを確立すると、情報が、例えばデジタル信号処理デバイスである計測ユニット６６２へ伝送される。計測ユニット６６２は、多数のパルスＰＭが共振周波数に比例し、同様に水量に比例するため、含水量を判定することが可能である。ライン中の全ての共振子センサが、同時に計測を実施してよく、すなわち、ワイヤの移動または移動の変化は計測に影響を及ぼさず、したがって横方向の計測が直角にウェブを横切って実施されることが可能である。計数器６６０が現時点のパルス数を算出すると、それは新たな計測を開始することができ、この方法により、水量の連続的で継続的な計測の実施が可能となる。計数器６６０は、例えばＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）、ＥＰＬＤ（電気的プログラマブル論理素子）、またはＣＰＬＤ（コンプレクス・プログラマブル・ゲート・アレイ）の回路を使用することにより実施されてよい。

また、計測ユニット６６２中へ、ウェブおよびワイヤの共有含水量が計測されたのと同じ点においてワイヤのみを計測するのに一致する基準値を入力することが可能である。この方法により、計測ユニット６６２は、計測値からワイヤの影響を除去することが可能となり、その場合、例えばワイヤ中の水の影響は排除されることが可能となる。

図７は、ウェブの横型の含水量計測を示す。鉛直軸が、自由に選択される尺度で含水量を示し、水平軸が、横方向の位置を示す。点で示され均等線により結合される点７００が、図６の１０個の共振子センサにより計測された結果と対応する。点線７０２が、点のより精密な計測値を示す。同実施例による計測の傾向としては、水量は、基準数値までは右方へ増加し、その後減り始める。

図８は、抄紙機における計測配置を示す。通常、抄紙機の同セクションは、ヘッドボックス８００、トップワイヤ８０２、ボトムワイヤ８０４、およびプレス部８０６を備える。ヘッドボックス８００およびプレス部８０６を除く上述のパートを含むワイヤセクションにおいて、ボトムワイヤ８０４の上面を進んでいるウェブが、例えば真空作動されるサクションボックス８１２の使用により脱水されることが可能である。追加的にはまたは代替的には、通常は、少なくともいくつかのロールが、ウェブを脱水するためのサクションロールである。もしいくつかの共振子センサが使用される場合は、含水量はワイヤの異なる点において、共振子センサ８１４〜８２８で計測されることが可能である。連続的な計測が、ウェブがワイヤセクションに沿い移動し続ける際の含水量の減少を測定するのを助ける。もし排水をウェブの長手方向において精密に測定しようとするならば、ワイヤセクションの異なる点での計測は、ウェブの移動と同期されなければならない。その場合には、ウェブは、ワイヤセクションの異なる地点で連続的な計測において精密に計測され、ウェブの対応する点で計測された含水量の差にもとづき、ワイヤセクションからの排水を測定することが可能となる。もし計測がワイヤの横方向におけるいくつかの共振子センサを使用して行われる場合は、ウェブの対応する点で計測された含水量の差にもとづき、ウェブの横方向におけるワイヤセクションにより実施される排水の配給を測定することが可能となる。このような計測結果が、図７の曲線７００および７０４の差に対応する。

１ラインの共振子センサで、例えば計測が、ワイヤセクションの終端部において共振子センサライン８２８を使用して実施されることが可能である。例えばワイヤのみの含水量が、共振子センサライン８３０により判定されることが可能であり、この計測は、ワイヤおよびウェブの合計含水量の計測からワイヤの含水量の影響を消す場合に、基準値として使用されることが可能である。またワイヤの平均含水量は、あらかじめ研究室で単独的に判定または計測されることが可能であり、その後、ウェブの含水量が、１つまたは複数の共振子センサによりなされた任意の個別の基準計測なしに判定されることが可能である。

図９は、含水量計測方法の流れ図をさらに示す。ステップ９００において、少なくとも１つの高周波作動される共振子センサが、近傍電界を形成し、電界内のウェブが、共振子センサの共振周波数に影響を及ぼす。ステップ９０２において、ウェブの含水量が、各共振子センサの共振周波数の関数として計測される。

方法におけるステップの多く（９０２など）が、例えば、方法ステップの実行のためのルーチンを含むコンピュータプログラムなどで実行されることが可能である。コンピュータプログラムの代わりに、計測ユニット６６２は、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または別個の構成要素から構成される関数論理回路などのハードウェアソルーションを使用することが可能である。

本発明が、添付の図面に示される実施例を参照して上で説明されたが、本発明はそれらに限定されず、添付の特許請求の範囲内で、様々に修正されることが可能であることは明らかである。

図１Ａは、スロットを付けられた共振子センサの上面図である。 図１Ｂは、スロットを付けられた共振子センサの側面図である。 円形の導波管にもとづく共振子センサの側面図である。 円形の導波管にもとづく共振子センサの上面図である。 角形の導波管にもとづく共振子センサの上面図である。 図３Ａは、同軸共振器の側面図である。図３Ｂは、同軸共振器の上面図である。 共振子センサの動作図である。 水を有する場合と水を有さない場合との共振周波数の計測図である。 ワイヤの下の一連の共振子センサの配置図である。 ウェブの横型の水量計測図である。 抄紙機の計測配置図である。 水量計測方法の流れ図である。

Claims (17)

1. 抄紙機のワイヤセクションにおけるウェブの含水量を計測する方法において、
   少なくとも１つの高周波作動される共振子センサ（１００、６００から６１８）を用いて、その中においてウェブ（４０２）が前記各共振子センサ（１００、６００から６１８）の共振周波数に影響を及ぼす近傍電界を形成するステップと、
   前記各共振子センサ（１００、６００から６１８）の共振周波数の関数として前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップと
   を特徴とする方法。
2. 前記共振子センサ（１００、６００から６１８）の構造が、遠方電界が放射線として伝播し、前記共振子センサ（１００、６００から６１８）の外部へ及ぶのを制限する、前記共振子センサ（１００、６００から６１８）を使用するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. いくつかの共振子センサ（６００から６１８）を使用して、横方向において前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記計測が前記ウェブ（４０２）の同じ点を対象とされるように、前記ワイヤセクションの少なくとも２つの異なる点で、同期される態様で前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップと、
   前記ウェブ（４０２）の対応する点で計測された含水量における差にもとづき、前記ワイヤセクションからの排水を測定するステップと
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記計測が前記ウェブ（４０２）の同じ点を対象とされるように、いくつかの共振子センサ（６００から６１８）の使用により前記ウェブ（４０２）の横方向における前記ワイヤセクションの少なくとも２つの異なる点で、同期される態様で前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップと、
   前記ウェブ（４０２）の対応する点で計測された前記含水量における差にもとづき、前記ウェブ（４０２）の横方向において、前記ワイヤセクションによりもたらされる排水の配給を測定するステップと
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記ワイヤ（４００、８０４）のみの計測により、前記各共振子センサ（１００、６００から６１８）について含水量基準値を計測するステップと、前記ウェブ（４０２）および前記ワイヤ（４００）の合計含水量から、前記ワイヤ（４００）の前記含水量を差し引くことにより、前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップとを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. スロットを付けられた共振子を用いて、前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップであって、前記スロットの中心線が湾曲した非自己交差曲線を表すステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 非放射波形を使用する波導管共振器を用いて前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 同軸共振器を用いて、前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 抄紙機のワイヤセクションにおけるウェブの含水量を計測するための計測器において、
    少なくとも１つの電気的に作動される高周波の共振子センサ（１００、６００から６１８）と、
    計測ユニット（６６２）と
    を前記計測器が含むことを特徴とし、
    計測の際に、
    前記共振子センサ（１００、６００から６１８）のそれぞれが、その中において計測中に計測対象が前記各共振子センサ（１００、６００から６１８）の共振周波数に影響を及ぼす近傍電界を形成し、
    前記計測ユニット（６６２）が、少なくとも１つの前記共振子センサ（１００、６００から６１８）の共振周波数の関数として計測対象の含水量を計測するようになされる
    ことを特徴とする、抄紙機のワイヤセクションにおけるウェブの含水量を計測するための計測器。
11. 前記共振子センサ（１００、６００から６１８）のそれぞれは、遠方電界が放射線として伝播し、前記共振子センサの外部へ及ぶのを制限するようになされることを特徴とする、請求項１０に記載の計測器。
12. 前記計測器は、前記計測が前記ウェブ（４０２）の同じ点を対象とされるように、前記ワイヤセクションの少なくとも２つの異なる点で、同期される態様で前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するための少なくとも２つの共振子センサ（６００から６１８）を有し、
    前記計測ユニット（６６２）は、前記ウェブ（４０２）の対応する点で計測された含水量における差にもとづき、前記ワイヤセクションからの排水を測定するようになされる
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の計測器。
13. 前記計測器は、前記ウェブの横方向に少なくとも２つのラインの共振子センサを有し、各ラインは、前記計測が前記ウェブ（４０２）の同じ点を対象とされるように、前記ウェブ（４０２）の横方向における前記ワイヤセクションの少なくとも２つの異なる点で、同期される態様で前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するための、少なくとも２つの共振子センサ（６００から６１８）を有し、
    前記計測ユニット（６６２）は、前記ウェブ（４０２）の対応する点で計測された前記含水量における差にもとづき、前記ウェブ（４０２）の横方向において、前記ワイヤセクションによりもたらされる排水の配給を測定するようになされる
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の計測器。
14. 前記計測器は、前記ワイヤ（４００）のみの含水量の計測のための少なくとも１つの共振子センサ（１００、６００から６１８）を有し、前記計測ユニットは、前記ウェブ（４０２）および前記ワイヤ（４００）の前記合計含水量から前記ワイヤ（４００）の前記含水量を差し引くことにより、前記ウェブ（４０２）の前記含水量を計測するようになされることを特徴とする、請求項１０に記載の計測器。
15. 前記共振子センサ（１００）は、スロットを付けられた共振器であり、前記スロットの中心線が、湾曲した非自己交差曲線を表すことを特徴とする、請求項１０に記載の計測器。
16. 前記共振子センサ（１００）は、非放射波形を使用するようになされた波導管共振器であることを特徴とする、請求項１０に記載の計測器。
17. 前記共振子センサ（１００）は、同軸共振器であることを特徴とする、請求項１０に記載の計測器。

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