JP2018096983A - 懸濁液を測定するための測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造と故障の少ない懸濁液の濃度及び明度を測定するシステムを提供する。
【解決手段】
本発明は、木質繊維を含有する懸濁液を測定するための溶液に関する。懸濁液の濃度はある濃度範囲内で変更される（100）。光放射線が懸濁液に向けられ（102）、懸濁液と相互作用する光放射線の強度が前記濃度範囲内の異なる濃度で測定される。前記濃度範囲内で、光放射線の最大強度が決定される（104）。懸濁液の特性であるカッパ数、明度のうちの少なくとも1つが、決定された最大強度に基づいて決定される（106）。
【選択図】 図１

Description

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態は、一般に、木質繊維懸濁液の測定、特にκ（カッパー）価の光学測定に関する。

背景技術の以下の説明は、本発明に先立って関連技術には知られていないが本発明によって提供される開示と共に、洞察、発見、理解または開示、または関連を含むことがあり得る。

本発明のそのような寄与のいくつかは、以下に具体的に指摘されるが、本発明の他の寄与は、それらの文脈から明らかであろう。

紙およびパルプの製造において、その目的は、良好で均一な品質を有する最終製品を得ることである。品質を保証する1つの方法は、製造プロセス中に測定を行うことである。パルプ製造における最も一般的で重要な測定値の1つは、パルプリグニン含有量の測定である。

パルプのような懸濁液のリグニン含有量は、通常、κ価（カッパー価）で示される。パルプ製造の分野で知られている標準SCAN−C 1:77において、「κ価（カッパー価）」とは、規格で定められた条件で、1グラムの乾燥パルプが消費する、ミリモルで20ミリモル/ lミリリットルの濃度の過マンガン酸カリウム溶液の量として定義され、リグニン含有量は、既知の方法で実験室環境で測定することができる。しかし、測定値に基づいて製造プロセスを制御できるように、異なるプロセス段階で結果を迅速に取得しなければならない製造環境では、実験室測定は適切ではない。

懸濁液のリグニン含量は、光学的測定を用いてオンラインκ分析器で測定することができる。これらの測定値は、プロセス制御に使用される結果を提供する。典型的には、これらの測定は、パルプ濃度掃引と、別々の測定チャンバ内の2つの別個の光学波長を使用して行われる。2つの波長の使用は、二つの別々の測定装置、測定チャンバ内のパルプの循環、及び気泡を除去するために圧力の使用を必要とする。 この測定システムは容易に故障し、複雑である。

本発明の目的は、上述の問題を低減または回避するための方法を実施する改良された方法および装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、木質繊維を含む懸濁液の測定方法であって、前記方法は、懸濁液の濃度を一定濃度範囲で変更させること；前記懸濁液に光学放射線を照射し、前記濃度範囲内の異なる濃度で前記懸濁液と相互作用する光学放射線の強度を測定すること；前記濃度範囲内の前記光学放射線の最大強度を決定すること、及び、決定された最大強度に基づいて懸濁液のカッパ価及び明度の特性のうちの少なくとも1つを決定すること：
を含む。

本発明の一態様によれば、木質繊維を含む懸濁液を測定する測定装置であって、
前記測定装置は、懸濁液に光学放射線を向けるための光源と、懸濁液と相互作用する光学放射線を測定するための少なくとも1つの光学的測定センサとを備え、
前記測定装置は、前記懸濁液の濃度を一定の濃度範囲で変更し；
光学放射線を前記懸濁液に放射し、前記濃度範囲内で異なる濃度の前記懸濁液と相互作用する光学放射線の強度を測定し；
前記濃度範囲内の光学放射線の最大強度を決定し；
決定された前記最大強度に基づき、前記懸濁液のκ価及び明度の特性の少なくとも１つを決定するように構成される。

本発明のいくつかの実施形態は、従属請求項に開示されている。
以下に、添付の図面を参照して好ましい実施形態を用いて本発明をより詳細に説明する。

本発明の実施例を示すフローチャートである。 本発明の実施例の装置の実施例を示す。 測定装置の一例を示す。 測定装置の一例を示す。 測定装置の一例を示す。 測定装置の一例を示す。 測定結果の一例を示す。 測定制御装置として機能するように構成された装置の一例を示す。

本発明による解決策は、木質繊維を含む懸濁液のκ価および明度を測定するのに特に適しているが、これに限定されるものではない。

この出願において、「光放射線」は、約40nm〜1mmの波長を有する電磁放射線を意味し、「紫外線放射」は、約40nm〜400nmの波長を有する電磁放射を意味する。

提案された解決策では、木質繊維を含有する懸濁液は光学放射線に照射され、放射線の懸濁液との相互作用が測定され、懸濁液の濃度が測定プロセス中に変更される。

図1は、木質繊維を含む懸濁液を測定する本発明の実施形態の一例を示すフローチャートである。

ステップ100において、一定の濃度範囲内で懸濁液の濃度が変更される。一実施形態では、濃度範囲は、初期濃度から最終濃度に亘る。

ステップ102において、光学放射線が懸濁液に向けられ、懸濁液と相互作用する光学放射線の強度が、前記濃度範囲内の異なる濃度で測定される。したがって、懸濁液の濃度が変更されると、測定は所定の間隔で繰り返される。 間隔は、測定パラメータであってもよい。

一実施形態では、光放射線は、光源を使用して懸濁液に照射され；懸濁液と相互作用する光放射線の強度は、所定の表面積および前記光源からの距離を有する1つまたは複数の光学測定センサによって測定される。

一実施形態では、前記所定の表面積および距離は、前記懸濃度範囲および所望の強度の大きさに基づいて選択される。

一実施形態では、光学放射線は、所定の波長の放射線からなる。

ステップ104において、前記濃度範囲内の光学放射線の最大強度が決定される。

ステップ106において、懸濁液のκ価、濃度及び明度の特性のうちの少なくとも1つが、決定された最大強度に基づいて決定される。

次に、実施形態の測定装置の一例を、図2を参照して説明するが、図2は、本発明をパルプおよび製紙産業に適用した例を示す。

図2は、木質繊維、すなわち木繊維パルプを含む懸濁液202が流れるパイプ200を示す。懸濁液のサンプルは、パイプ200からサンプラ204で取り出される。サンプラ204は、それ自体公知の解決策であってもよく、例えば、ピストンとシリンダーに基づいている。試料は、パイプ206を用いて測定チャンバ208に運ばれ、弁210は閉じられている。

測定チャンバ内のサスペンションは、測定前に処理することができる。例えば、液体は加圧空気を用いて濾過することができる。弁212は開かれ、弁を通って来る空気は試料をワイヤ214に押し付け、液体は弁216を通って流れる。

サンプルは、弁212および218を開くことによって水および空気を用いて洗浄することができ、廃水は弁216を通って流れる。

試料が洗浄されたとき、測定プロセスは、弁220を通る加圧空気を使用してサンプルを混合すること、およびバルブ222を介して水を加えることによって開始することができる。サンプルが混合されると、空気弁220は閉じられる。水弁222は開いたままにされる。弁を通ってくる水は、サンプルの濃度を変化させ、同時にサンプルを混合する。懸濁液の濃度は一定の濃度範囲内で変更される。一実施形態においては、濃度範囲は、初期濃度から最終濃度に亘る。

測定は、測定コントローラ228によって制御され得る測定装置224,226を使用して試料の濃度の変更中に実行することができる。一実施形態では、測定装置は、光源および検出器部分226と、光ファイバおよび測定ヘッド部分226とを備える。

図3および4A〜4Cは、測定装置224,226の例を示す。一実施形態では、この構成は、光源300を備える。κ価は、通常、紫外線で測定され、その理由から、光源は、通常、少なくとも紫外線を放射することができる。光源300は、例えば、キセノンランプまたはLED（発光ダイオード）であってもよい。光源方向具は、光学放射線を懸濁液に向けるように構成することができる。

一実施形態では、光放射線は、第1光ファイバ306を使用して懸濁液に向けられる。第1光ファイバ306は、光放射線を懸濁液に向けるように構成されてもよく、ファイバの第1端部は光源300に接続され、ファイバの第2端部は、測定ヘッドに配置され、測定チャンバ208に挿入される。

一実施形態では、この装置は、懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定するように構成された1つ以上の検出器302,304をさらに備える。一実施形態では、各検出器は、一組の光ファイバ308,310に接続され、光ファイバの端部は、第1光ファイバ306の第2端部に隣接して配置される。

図4A~図4Cは、測定チャンバ208に挿入され得る測定ヘッド312内のファイバ配置の例を示す。

図4Aは、測定装置が、第1の光ファイバ308に接続された光源300および光ファイバ308に接続された検出器302を備える実施形態を示す。測定ヘッドにおいて、第1光ファイバ306と光ファイバ308は、互いに所定の距離400を置いて並んで配置される。

図4Bは、測定装置が、第1光ファイバ306に接続された光源300と、光ファイバ308のセットに接続された検出器302とを含む他の実施形態を示す。測定ヘッドにおいて、複数の光ファイバ308の端部は、第1光ファイバからの所与の所定の距離402をおいて、第1の光ファイバ306の端部に隣接して配置される。

図4Cは、測定装置が、第1光ファイバ306に接続された光源300と、光ファイバ308,310のセットに接続された検出器302,304とを含む別の実施形態を示す。測定ヘッドにおいて、複数の光ファイバ308の端部は、第1光ファイバ306と同じ所定の距離404で、第1の光ファイバ306の端部に隣接して配置され、複数の光ファイバー310の端部は、第1の光ファイバー306と同じ所与の距離406で、第1光ファイバー306の端部に隣接して配置される。

一実施形態では、測定チャンバ208は、測定チャンバの壁に窓230を備える。光源300又は光源に接続された第1光ファイバ306は、光放射線を懸濁液に方向付けるために前記窓の後ろの測定チャンバの外側に配置することができる。

同様に、1つまたは複数の検出器302,304または検出器に接続された光ファイバ308,310は、測定チャンバ壁の窓230の後ろの測定チャンバの外側に配置されてもよい。

上述の光ファイバの使用は単なる一例に過ぎない。測定は、光ファイバを使用せずに実現することもできる。一実施形態では、光放射線は、レンズ、導波管または任意の適切な媒体などの光導体を使用して測定チャンバに導かれる。例えば、光源および検出器は、光ファイバを使用せずに窓230の後ろに配置することができる。

図5は、上述した測定装置を使用して異なる濃度で懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定した場合の測定結果の一例を示す。図5は、時間がx軸500上にあり、測定された強度がy軸502上にあるグラフである。懸濁液サンプルの濃度は、時間の関数として変化する。典型的には、最初は懸濁液の濃度が大きく、試料と混合する水が多くなるにつれて懸濁液の濃度はより低くなる。

光源からの光放射線が懸濁液のサンプルに向けられると、放射線の一部は木質繊維から検出器まで散乱し、一部は他の場所に散乱し、一部はリグニンを吸収される。懸濁液ののサンプルの濃度は、測定プロセス中に変更される。濃度のより大きい初期において、少量504の光放射線が検出器によって検出される。サンプル中に混入する水のために、濃度がより小さくなると、検出器によって検出される光放射線の量506が増加する。ある時点で、濃度がより小さくなると、検出器によって検出される光放射線の量が少なくなる。

この測定装置は、検出器によって検出された強度の最大値508を検出するように構成することができる。決定された最大強度に基づいて、懸濁液の以下の特性、カッパ価及び明度のうちの少なくとも1つ、が決定される。

最大強度に達する濃度は、吸収に依存する。吸収が大きければ大きいほど、最大強度が生じる濃度は小さくなる。

一実施形態では、濃度範囲の初期濃度は、懸濁液の特性に依存する。測定は、最大強度が検出されるまで続けられ、測定された強度が最大値よりも小さくなったときに終了する。

一実施形態では、測定装置は、較正測定を実行することによって正確に機能するように較正される。これらの測定は、測定装置の前に配置された正規化基準プレートを使用して行うことができる。一実施形態においては、基準パルプを使用して較正が実行される。測定装置が実際に使用される前に較正が必要であり、例えば、光放射線の経路が変化したり、検出器の応答が時間の経過とともに変化したりすることがあるので、時々実行する必要がある。基準パルプは木質繊維パルプであり、その特性は実験室で測定され、時間に関して安定化されている。測定装置の較正のために市販されている基準パルプがあり、例えば、カナダの製造業者からのパプリカン標準参照パルプ5−96である。

一実施形態では、光源および検出器の表面積および開口数は、懸濁液の濃度範囲および所望の強度の量に基づいて選択される。

一実施形態では、距離400,402,404,406および光ファイバまたは光ファイバセット306,308および310の光学的断面および開口数の表面積は、懸濁液の濃度範囲及び所望の強度の大きさに基づいて選択される。

距離400,402,404,406およびファイバまたは光ファイバセット306,308の光学的断面の表面積は、測定ジオメトリとして以下に示される。

測定ジオメトリは、濃度範囲に関係している。測定が行われるとき、懸濁液の濃度は、サンプル処理（サンプルの洗浄と濃度の変更）が可能なものでなければならない。懸濁液の濃度が大きすぎる場合、サンプル処理は成功しない可能性がある。一方、濃度が低すぎる場合、測定のダイナミクスは困難なものとなる。また、光源から利用可能な光の強度は、測定に影響を及ぼす。κ価が測定される場合、κ価が大きいほど試料中のリグニンが光を吸収する。

一実施形態においては、目的は、濃度範囲内の懸濁液と相互作用する光放射線の最大強度を検出することである。最大強度に達するときの濃度は、以下の事項に依存する。

− 光源と測定点との間の距離400,402,404,406、すなわち、第1光ファイバ306の端部と他の光ファイバ306,308の端部との間の距離。距離が大きいほど、最大強度が生じたときの濃度は小さくなる。

− 光源と測定点の表面積。表面積が大きいほど、最大強度が生じたときの濃度は小さくなる。

− サンプルのκ価。κ価が大きいほど、最大強度が生じたときの濃度は小さくなる。

− 光源によって出力される光放射線の波長。懸濁液中の光線の吸収は、波長に依存する。吸収が大きければ大きいほど、最大強度が生じた場合に濃度が小さくなる。

−懸濁液のサンプルの粒子サイズ。粒子が小さいほど、最大強度が生じたときの濃度は小さくなる。したがって、一実施形態では、測定パラメータは、測定ジオメトリ、光放射線の波長および測定に使用される濃度範囲を含むことができる。例えば、κ価が高い場合、低κ価に比べて異なる波長を使用することができる。一実施形態では、波長は紫外線範囲である。さらに、濃度範囲は、懸濁液の特性に依存してもよい。例えば、松の測定の場合、懸濁液濃度の範囲は0.3~0.1％であり、バーチの測定の場合、懸濁液濃度の範囲は0.4~0.2％である。これらの数値は非限定的な例に過ぎない。

光ファイバの直径の典型的な値は約数百μmであるが、測定される特性に応じて他の値を使用することもできる。

一般に、上記の議論は、光ファイバが使用されない場合にも適用できるが、光源および検出器は他の適切な媒体を使用して測定チャンバに接続される。

図6は、一実施形態を示す。 この図は、測定コントローラ228として機能するように構成された装置の簡略化された例を示す。

この装置は、いくつかの実施形態を例示する一例として本明細書に示されていることを理解されたい。この装置は、他の機能および/または構造も含むことができ、記載された機能および構造のすべてが必要とされるわけではないことは、当業者には明らかである。装置は1つのエンティティとして示されているが、異なるモジュールおよびメモリは、1つまたは複数の物理的または論理的なエンティティで実装されてもよい。

この例の装置228は、装置の動作の少なくとも一部を制御するように構成された制御回路600を含む。

この装置は、データを記憶するためのメモリ602を備えることができる。さらに、メモリは、制御回路240によって実行可能なソフトウェア604を格納することができる。メモリは、制御回路に統合されてもよい。

この装置は、装置を他の装置に接続するように構成されたインターフェース回路606をさらに備えることができる。インタフェースは有線または無線接続を提供することができる。インタフェースは、装置を測定装置224,226に接続することができる。一実施形態では、装置は、パルプの製造に使用される自動プロセス制御コンピュータに接続されてもよい。

この装置は、例えば、ディスプレイ、キーボード、およびマウスなどのユーザインターフェース608をさらに含むことができる。一実施形態では、この装置はユーザインタフェースを備えていないが、装置へのアクセスを提供する他の装置に接続されている。

いくつかの実施形態では、この装置は、ミニコンピュータまたはマイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータまたはラップトップまたは任意の適切なコンピューティングデバイスで実現されてもよい。

ここで提案された懸濁液を測定するための解決策は、従来技術の解決策よりも多くの利点を有する。測定の不正確さを低減する別の濃度測定の必要はない。先行技術の測定装置と比較して、提案された装置は実現がより簡単である。測定中にサンプルを循環させる必要はなく、ポンプとバルブの数を減らすことができる。同じチャンバー内で洗浄と測定を行うことができるため、別々の洗浄チャンバーは存在しない。さらに、圧力測定室は不要である。 この構成の構造に基づいて、正規化基準プレートを使用して較正を行うことが可能である。

一実施形態では、異なる測定幾何学を使用して、同じ測定チャンバ内で明度および濃度の測定を行うことができる。例えば、図4Cの解決法では、1つの検出器がκ数を測定し、他の検出器が濃度を測定することができる。

技術が進歩するにつれて、本発明の概念は様々な方法で実施できることは、当業者には明らかであろう。本発明およびその実施形態は、上記の例に限定されず、特許請求の範囲内で変更することができる。

200 パイプ
202 懸濁液
204 サンプラ
206 パイプ
208 測定チャンバ
210, 212, 216, 218,220, 222 弁
214 ワイヤ
226 検出器部分
228 測定コントローラ
300 光源
302,304 検出器
306 第１光ファイバ
308,310 光ファイバ

Claims (15)

1. 木質繊維を含む懸濁液を測定する方法であって、
   一定の濃度範囲で懸濁液の濃度を変更し；
   前記懸濁液に光放射線を照射し、前記濃度範囲内で異なる濃度で前記懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定し；
   前記濃度範囲内で前記光放射線の最大強度を決定し；
   決定された最大強度に基づいて前記懸濁液のκ価及び明るさの特性のうちの少なくとも1つを決定する、
   ことを含む方法。
2. 光放射線源を用いて光放射線を前記懸濁液に照射し；
   所定の表面積、開口数および光源からの距離を有する1つまたは複数の光学測定センサを用いて、前記懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定することを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記濃度範囲および所望の強度に基づいて所定の表面積、開口数および距離を選択することを更に含む、
   請求項２に記載の方法。
4. 紫外線によってκ価を測定することを更に含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記懸濁液の前記濃度が、前記濃度範囲内のすべての濃度を連続的に変化するように、前記濃度を変更することを更に含む、
   請求項１に記載の方法。
6. 測定される懸濁液の試料を加圧されていない測定チャンバに移すことを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 所定の直径および開口数を有する第1光ファイバを使用して、前記光放射線を前記懸濁液に照射し；
   各光ファイバが、所定の直径を有し、前記光ファイバの端部は、前記第1光ファイバの端部に隣接して、前記第1光ファイバから所定の距離だけ離れて配置されるようにされた一組の光ファイバに接続された検出器を用いて前記懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定することを更に含む請求項１に記載の方法。
8. 測定チャンバの壁の窓の後ろで前記測定チャンバの外側に配置された光源を使用して、前記懸濁液に光放射線を照射し；
   前記測定チャンバの窓の後で前記測定チャンバの外側に配置され、所定の直径を有し、前記光源から所定の距離に配置される検出器を用いて、前記懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定することを更に含む請求項１に記載の方法。
9. 木質繊維を含む懸濁液を測定するための測定装置であって、
   前記測定装置は、懸濁液に光放射線を照射するための光源と前記懸濁液と相互作用する光放射線を測定するための少なくとも1つの光学測定センサを備え、
   前記測定装置は、所定の濃度範囲で前記懸濁液の濃度を変更し；
   前記懸濁液に光放射線を照射し、前記濃度範囲内の異なる濃度で前記懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定し；
   前記濃度範囲内の光放射線の最大強度を決定し；
   決定された前記最大強度に基づいて懸濁液のκ価及び明度の特性の少なくとも1つを決定するように構成される、
   測定装置。
10. 少なくとも1つの測定センサは、所定の表面積、開口数および前記光源からの距離を有し、所定の前記表面積および前記距離は、前記濃度範囲および所定の強度の大きさに基づいて選択される、請求項９に記載の測定装置。
11. 前記κ価を紫外線によって測定するように更に構成されている、請求項9に記載の測定装置。
12. 前記濃度が前記濃度範囲内のすべての濃度を連続的に変化するように、前記濃度を変更するように更に構成される請求項９に記載の測定装置。
13. 前記測定装置は、加圧されていない測定チャンバを含み、前記測定装置は、測定されるべき懸濁液のサンプルを測定チャンバーに取り込むようにさらに構成された、請求項９に記載の測定装置。
14. 前記測定装置は、第1端部が前記光源に接続され、第2端部が測定チャンバ内にあり、前記懸濁液に前記光放射線を照射するように構成された第１光ファイバと、
    前記懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定するための1つ以上の検出器を備え、
    各前記検出器は一組の所定の直径を有する光ファイバに接続され、前記光ファイバの端部は、前記第1光ファイバの前記第2端部に隣接して、前記第1光ファイバから所定の距離だけ離れて配置され、所定の前記直径および前記距離は、前記濃度範囲及び所定の前記強度の大きさに基づいて選択される、請求項９に記載の測定装置。
15. 前記測定装置は、測定チャンバ壁内の窓と、前記測定チャンバ壁内の窓の後の測定チャンバの外側に配置される前記懸濁液に光放射線を照射するための光源と、
    前記懸濁液と相互作用する光放射線の強度を測定するための1つ以上の検出器を備え、
    前記検出器は、前記測定チャンバの壁の窓の後に測定チャンバの外側に配置され、各検出器は、所与の直径を有し、前記光源から所定の距離に配置され、所定の前記直径および前記距離は、前記濃度範囲および所望の強度の大きさに基づいて選択される、請求項９に記載の測定装置。

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